Ученые изготовили искусственное дерево из синтетических смол, которое, имитируя натуральное дерево, демонстрирует улучшенные свойства для многофункционального использования.
Древесина - это органическая волокнистая ткань, встречающаяся в деревьях, кустах и кустарниках. Древесину можно назвать самым полезным и, пожалуй, самым универсальным материалом на планете Земля. Он использовался в течение тысяч лет для различных целей и отличается низкой плотностью и высокой прочностью. Уникальная анизотропная ячеистая структура (то есть различные свойства в разных направлениях) древесины придает ей удивительные механические свойства, а также делает ее прочной, жесткой, но все же легкой и гибкой. Древесина имеет высокую прочность на сжатие и низкую прочность на разрыв. Древесина является экологически чистой и недорогой, сверхпрочной, долговечной и долговечной, и ее можно использовать для строительства чего угодно, от бумаги до строительства домов.
Природа уже предоставила нам такие удивительные материалы, как дерево. Тем не менее, природа всегда вдохновляет нас на проектирование и разработку высокоэффективных биомиметических инженерных материалов, которые могут «имитировать» удивительные свойства биоматериалов, уже обнаруженных в природе. Уникальность древесины заключается в ее анизотропной ячеистой структуре, низкой плотности и высокой прочности. В недавнем прошлом ученые пытались разработать материалы с учетом этой концепции, чтобы воспроизвести такие свойства древесины, как высокая прочность и легкость. Однако большая часть исследований привела к неудовлетворительным результатам, поскольку разработанные материалы имели один или другой недостаток. Для инженеров по-прежнему остается серьезной проблемой построить искусственный древесные материалы. Это очень важно, потому что для выращивания натурального дерева требуются десятилетия, а время и эффективность являются сильным критерием при создании материала, похожего на натуральное дерево.
Биоинспирированная древесина
Исследователи из Университета науки и технологий Китая разработали новую стратегию производства биоинспирированных искусственных полимерных материалов. дерево в больших масштабах. Этот искусственный материал имеет ячеистую микроструктуру, напоминающую древесину, хорошую управляемость в микроструктурах и демонстрирует такие свойства, как легкость и высокая прочность, аналогичные механическим свойствам натурального дерева. Исследователи утверждают, что этот новый материал так же прочен, как натуральное дерево, в отличие от любых других искусственных пород дерева, исследованных до настоящего времени.
Древесина, встречающаяся в природе, содержит природный полимер лигнин, который делает древесину прочной. Лигнин связывает мелкие кристаллиты целлюлозы вместе в сетчатую структуру, создавая высокую прочность. Исследователи подумали о репликации лигнина с помощью синтетического полимера резола, который имеет аналогичные свойства. Они успешно превратили традиционно доступные резолы (фенольную смолу и меламиновую смолу) в искусственное дерево как материал. Превращение было достигнуто путем использования сначала свойств самосборки полимерного резола, а затем его отверждения. Для достижения самосборки жидкие смолы для термостатов замораживали в одном направлении, а затем отверждали (сшивали или полимеризовали) при температурах не более 200 градусов Цельсия. Произведенная искусственная древесина имеет ячеистую структуру, очень напоминающую структуру натурального дерева. Впоследствии термическое отверждение - процесс, состоящий из химического изменения под действием температуры (в данном случае полимеризации) в резоле - был проведен для производства искусственной полимерной древесины. Размер пор и толщину стенок такого материала можно контролировать вручную. Не только это, кристаллиты, которые образуются, также могут быть изменены в зависимости от требований к породе древесины. Цвет также может быть изменен путем добавления или переключения кристаллитов, которые удерживают раствор вместе. Когда эта искусственная древесина сжимается, она проявляет сопротивление, подобное ее натуральному аналогу. Подход, описанный в исследовании, также можно назвать зеленым подходом к приготовлению искусственной древесины, в которой можно использовать компост из наноматериалов, таких как нановолокна целлюлозы и оксид графена.
Интересно, что искусственная древесина демонстрирует лучшую коррозионную стойкость к воде и кислотам по сравнению с натуральной древесиной, при этом не предполагая ухудшения ее механических свойств. Это означает, что искусственное дерево может противостоять экстремальным погодным явлениям и будет лучше обеспечивать защиту. Он также показывает лучшую теплоизоляцию и повышенную стойкость к возгоранию и не может легко воспламениться, как натуральное дерево, главным образом потому, что резол является огнестойким. Это может быть благом для таких секторов, как производство и строительство, особенно жилых домов, которые загораются при строительстве из натурального дерева. Этот материал идеально подходит для жестких и суровых условий окружающей среды, поскольку он значительно улучшен по сравнению с натуральным деревом. Он уникален по сравнению со стандартными инженерными материалами, такими как ячеистая керамика и аэрогели, с точки зрения прочности и теплоизоляционных свойств. Он также более эффективен, чем большинство композитов пластик-дерево, из-за своей более высокой прочности. Инженерная древесина обладает множеством свойств, которые делают ее более эффективной.
Новая стратегия, описанная в этом исследовании, опубликованном в Наука развивается открывает новые возможности для изготовления и разработки разнообразных высокоэффективных биомиметических инженерных композитных материалов, которые будут иметь некоторые значительные преимущества перед своими традиционными аналогами. Такие новые материалы могут найти широкое применение во многих областях.
{Вы можете прочитать исходную исследовательскую работу, щелкнув ссылку DOI, приведенную ниже в списке цитируемых источников}
Источник (ы)
Zhi-Long Y и др. 2018 Биоинспирированная полимерная древесина. Наука развивается. 4 (8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
