Учените са изработили изкуствена дървесина от синтетични смоли, която, имитирайки естествено дърво, показва подобрени свойства за многофункционална употреба
Дървото е органичен fibrous tissue found in trees, bushes and shrubs. Wood can be called as the most useful and maybe the most versatile material on planet Earth. It has been used for thousands of years for multiple purposes and is highly remarked for its low density and high strength. The unique anisotropic cellular structure (i.e. different properties in different directions) of wood grants it amazing mechanical properties as well making it strong, stiff but still light and flexible. Wood has high compressive strength and low tensile strength. Wood is environment and cost friendly, super strong, durable and long-lasting and can be used for building just anything from making paper to building houses.
Природата вече ни е предоставила невероятни материали като дърво. И все пак винаги има вдъхновение, въртящо се около природата, за да проектираме и разработваме високоефективни биомиметични инженерни материали, такива, които биха могли да „имитират“ невероятните свойства на биоматериалите, които вече се намират в природата. Уникалността на дървото идва от неговата анизотропна клетъчна структура, заедно с ниска плътност и висока якост. В близкото минало учените се опитаха да проектират материали, обмисляйки тази концепция, в опит да дублират свойствата на дървото като висока якост и лекота. Въпреки това, повечето от изследванията са довели до незадоволителни резултати, тъй като проектираните материали страдат от един или друг недостатък. Все още остава значително предизвикателство за инженерите да построят изкуствен материали, подобни на дърво. Това е от голямо значение, тъй като отглеждането на естествено дърво отнема десетилетия, а времето и ефективността са силен критерий, когато се търси да се направи материал, подобен на естественото дърво.
Биовдъхновено дърво
Изследователи от Китайския университет за наука и технологии са измислили нова стратегия за производство на биоинспириран изкуствен полимер дърво в голям мащаб. Този изкуствен материал има клетъчна микроструктура, подобна на дърво, добра контролируемост в микроструктурите и ще демонстрира свойства като лекота и висока якост, аналогични на механичните свойства на естественото дърво. Изследователите твърдят, че този нов материал е толкова силен, колкото естественото дърво, за разлика от всички други инженерни дървесини, изследвани до момента.
Дървесината, открита в природата, съдържа естествен полимер, наречен лигнин, който е отговорен за здравината на дървото. Лигнинът свързва малки кристалити от целулоза заедно в мрежеста структура, за да създаде висока якост. Изследователите смятат да възпроизведат лигнин чрез използване на синтетичен полимер, наречен резол, който има подобни свойства. Те успешно превърнаха традиционно наличните резоли (фенолна смола и меламинова смола) в изкуствено дърво като материал. Преобразуването се постига чрез първо използване на свойствата за самосглобяване на полимерния резол и след това чрез подлагане на mocuring. За да се постигне самосглобяване, течните термостатни смоли се замразяват еднопосочно, след което се втвърдяват (омрежени или полимеризирани) при температури не повече от 200 градуса по Целзий. Произведеното инженерно дърво приема структура, подобна на клетка, много наподобяваща тази на естественото дърво. Впоследствие е извършено термовтвърдяване – процес, състоящ се от предизвикана от температура химична промяна (тук полимеризация) в резола – за производство на изкуствена полимерна дървесина. Размерът на порите и дебелината на стената на такъв материал могат да се контролират ръчно. Не само това, кристалитите, които резолът произвежда, също могат да се променят в зависимост от изискванията на вида дървесина. Цветът може също да бъде променен чрез добавяне или превключване на кристалитите, които държат резола заедно. Когато тази конструирана дървесина се компресира, тя проявява устойчивост, подобна на естествения си аналог. Подходът, описан в проучването, може също да се нарече зелен подход за приготвяне на изкуствена дървесина, при който може да се използва компост от наноматериали като целулозни нановлакна и графенов оксид.
Интересно е, че конструираната изкуствена дървесина показва по-добра устойчивост на корозия на вода и киселина в сравнение с естественото дърво, като се предполага, че няма спад в неговите механични свойства. Това означава, че изкуствената дървесина може да устои на екстремни метеорологични явления и ще бъде подобрена при осигуряване на защита. Той също така показва по-добра топлоизолация и подобрена устойчивост на огън и няма да се запали лесно, както естественото дърво, главно защото резолът е огнеупорен. Това може да бъде от полза за сектори като производство и строителство, особено жилищни сгради, които се запалват, когато са построени от естествено дърво. Материалът е идеално подходящ за трудни и тежки среди, тъй като е доста подобрен в сравнение с естественото дърво. Той е уникален в сравнение със стандартни инженерни материали като клетъчна керамика и аерогели по отношение на якост и топлоизолационни свойства. Освен това е по-ефективен от повечето композити пластмаса-дърво поради по-високата си якост. Конструираната дървесина има доста изобилие от свойства, които я правят по-ефективна.
Новата стратегия, описана в това проучване, публикувано в Наука Авансите предоставя нови възможности за производство и проектиране на разнообразие от високоефективни биомиметични инженерни композитни материали, които ще имат значително предимство пред традиционните си колеги. Такива нови материали могат да имат широко приложение в много области.
***
{Можете да прочетете оригиналната изследователска статия, като щракнете върху връзката DOI, дадена по-долу в списъка с цитирани източници}
Източник (и)
Zhi-Long Y и др. 2018 Биоинспирирани полимерни дървета. Наука Авансите. 4 (8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
***
