Вчені створили штучну деревину із синтетичних смол, яка, імітуючи натуральне дерево, демонструє покращені властивості для багатофункціонального використання.
Деревина є органічний волокниста тканина дерев, кущів і кущів. Дерево можна назвати найкориснішим і, можливо, найбільш універсальним матеріалом планета земля. Він використовувався протягом тисячоліть для різних цілей і дуже відомий своєю низькою щільністю та високою міцністю. Унікальна анізотропна комірчаста структура (тобто різні властивості в різних напрямках) деревини надає їй чудових механічних властивостей, а також робить її міцною, жорсткою, але все ще легкою та гнучкою. Деревина має високу міцність на стиск і низьку міцність на розтяг. Дерево є екологічно чистим і економічно чистим, надміцним, довговічним і довговічним, і його можна використовувати для будівництва будь-чого, від виготовлення паперу до будівництва будинків.
Природа вже наділила нас такими дивовижними матеріалами, як дерево. Проте навколо природи завжди є натхнення для розробки та розробки високоефективних біоміметичних інженерних матеріалів, які могли б «імітувати» дивовижні властивості біоматеріалів, які вже зустрічаються в природі. Унікальність деревини обумовлена її анізотропною комірчастою структурою, а також низькою щільністю та високою міцністю. Нещодавно вчені намагалися розробити матеріали з урахуванням цієї концепції, намагаючись повторити властивості деревини, такі як висока міцність і легкість. Однак більшість досліджень привели до незадовільних результатів, оскільки розроблені матеріали страждали від тих чи інших недоліків. Для інженерів все ще залишається серйозним завданням побудувати штучний деревоподібні матеріали. Це дуже актуально, оскільки вирощування натуральної деревини займає десятиліття, а час і ефективність є сильним критерієм, коли потрібно зробити матеріал, подібний до натурального дерева.
Біологічна деревина
Дослідники з Університету науки і техніки Китаю розробили нову стратегію для виробництва штучного полімеру, натхненного біоінспірацією. дерево у великому масштабі. Цей штучний матеріал має комірчасту мікроструктуру, схожу на деревину, хорошу керованість у мікроструктурах і демонструє такі властивості, як легкість і висока міцність, аналогічні механічним властивостям натуральної деревини. Дослідники стверджують, що цей новий матеріал настільки ж міцний, як і натуральна деревина, на відміну від будь-якої іншої штучної деревини, дослідженої до цього часу.
Деревина, знайдена в природі, містить природний полімер під назвою лігнін, який відповідає за міцність деревини. Лігнін зв’язує дрібні кристаліти целюлози разом у сітчасту структуру для створення високої міцності. Дослідники подумали про реплікацію лігніну за допомогою синтетичного полімеру під назвою резол, який має подібні властивості. Вони успішно перетворили традиційно доступні резоли (фенольну смолу та меламінову смолу). штучне дерево як матеріал. Перетворення було досягнуто спочатку використанням властивостей полімерного резолю, що самозбирається, а потім за допомогою термозатвердіння. Для досягнення самозбірки рідкі термостатні смоли заморожували в односторонньому напрямку, потім отверждали (зшивали або полімеризували) при температурах не вище 200 градусів Цельсія. Виготовлена інженерна деревина має клітинну структуру, що дуже нагадує структуру натурального дерева. Згодом для отримання штучної полімерної деревини було проведено термозатвердіння – процес, що складається з хімічних змін (тут, полімеризації) в резолі. Розмір пор і товщину стінки такого матеріалу можна регулювати вручну. Мало того, кристаліти, які виробляє резоль, також можна змінювати залежно від вимоги типу деревини. Колір також можна змінити, додаючи або змінюючи кристаліти, які утримують резол разом. Коли ця сформована деревина стискається, вона проявляє стійкість, подібну до її натурального аналога. Підхід, описаний у дослідженні, також можна назвати «зеленим» підходом до приготування штучної деревини, у якому можна використовувати компост з наноматеріалів, таких як нановолокна целюлози та оксид графену.
Цікаво, що сконструйована штучна деревина демонструє кращу корозійну стійкість до води та кислоти порівняно з натуральною деревиною, не припускаючи, що її механічні властивості не погіршуються. Це означає, що штучна деревина може протистояти екстремальним погодним явищам і буде покращена в забезпеченні захисту. Він також демонструє кращу теплоізоляцію та покращену стійкість до вогню і не буде легко загорятися, як натуральне дерево, головним чином тому, що резол є вогнезахисним. Це може бути благом для таких секторів, як виробництво та будівництво, особливо для житлових будинків, які загоряються при будівництві з натуральної деревини. Матеріал ідеально підходить для жорстких і суворих умов, оскільки він значно покращений у порівнянні з натуральним деревом. Він унікальний у порівнянні зі стандартними інженерними матеріалами, такими як стільникова кераміка та аерогелі, за міцністю та теплоізоляційними властивостями. Він також більш ефективний, ніж більшість композитів пластик-деревина, завдяки своїй вищій міцності. Інженерна деревина має досить багато властивостей, які роблять її більш ефективною.
Нова стратегія, описана в цьому дослідженні, опублікованому в Наука розвивається надає нові можливості для виготовлення та створення різноманітних високоефективних біоміметичних інженерних композиційних матеріалів, які матимуть значну перевагу над своїми традиційними аналогами. Такі нові матеріали можуть мати широке застосування в багатьох сферах.
***
{Ви можете прочитати оригінальну дослідницьку роботу, натиснувши посилання DOI, наведене нижче в списку цитованих джерел(ів)}
Джерела
Чжи-Лонг Y та ін. 2018 Біоінспірована полімерна деревина. Наука розвивається. 4 (8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
***
