Ученые изготовили искусственную древесину из синтетических смол, которая, имитируя натуральную древесину, обладает улучшенными свойствами для многофункционального использования.
Древесина — это органическая волокнистая ткань, которая содержится в деревьях, кустарниках и растениях. Древесину можно назвать самым полезным и, возможно, самым универсальным материалом на планете Земля. Она используется на протяжении тысячелетий для самых разных целей и высоко ценится за свою низкую плотность и высокую прочность. Уникальная анизотропная клеточная структура (то есть различные свойства в разных направлениях) древесины наделяет её удивительными механическими свойствами, делая её прочной, жёсткой, но при этом лёгкой и гибкой. Древесина обладает высокой прочностью на сжатие и низкой прочностью на растяжение. Древесина экологична и экономична, очень прочна, долговечна и может использоваться для строительства чего угодно, от производства бумаги до строительства домов.
Природа уже подарила нам удивительные материалы, такие как древесина. Однако вдохновение, которое мы всегда черпаем из природы, побуждает нас проектировать и разрабатывать высокоэффективные биомиметические инженерные материалы, способные «имитировать» удивительные свойства биоматериалов, уже встречающихся в природе. Уникальность древесины обусловлена её анизотропной клеточной структурой, а также низкой плотностью и высокой прочностью. В последнее время учёные пытались проектировать материалы, учитывая эту концепцию, стремясь воспроизвести свойства древесины, такие как высокая прочность и лёгкость. Однако большинство исследований привело к неудовлетворительным результатам, поскольку разработанные материалы имели те или иные недостатки. Создание искусственных древоподобных материалов по-прежнему остаётся серьёзной проблемой для инженеров. Это особенно актуально, поскольку выращивание натуральной древесины занимает десятилетия, а время и эффективность являются важными критериями при создании материала, похожего на древесину.
Биоинспирированная древесина
Исследователи из Китайского университета науки и технологий разработали новую стратегию крупномасштабного производства искусственной полимерной древесины, вдохновленной биоинспирацией . Этот искусственный материал обладает клеточной микроструктурой, подобной древесине, хорошей управляемостью микроструктуры и демонстрирует такие свойства, как легкость и высокая прочность, аналогичные механическим свойствам натуральной древесины. Исследователи утверждают, что этот новый материал по прочности не уступает натуральной древесине, в отличие от всех других исследованных на сегодняшний день искусственных пород древесины.
В природе древесина содержит природный полимер, называемый лигнином, который отвечает за её прочность. Лигнин связывает мелкие кристаллиты целлюлозы вместе в сетчатую структуру, обеспечивая высокую прочность. Исследователи решили воспроизвести лигнин, используя синтетический полимер, называемый резолем, который обладает схожими свойствами. Им удалось успешно преобразовать традиционно доступные резолы (фенольную смолу и меламиновую смолу) в искусственный древесный материал. Преобразование было достигнуто сначала за счет самоорганизующихся свойств полимера резола, а затем путем термоотверждения. Для достижения самоорганизации жидкие термотермические смолы замораживали в одном направлении, а затем отверждали (сшивали или полимеризовали) при температуре не более 200 градусов Цельсия. Полученная искусственная древесина приобретает клеточную структуру, очень похожую на структуру натуральной древесины. Впоследствии было проведено термоотверждение — процесс, состоящий из вызванных температурой химических изменений (в данном случае, полимеризации) в резоле, — для получения искусственной полимерной древесины. Размер пор и толщина стенок такого материала могут контролироваться вручную. Более того, кристаллиты, из которых состоит резоль, также могут быть изменены в зависимости от типа древесины. Цвет также можно изменить, добавив или заменив кристаллиты, которые удерживают резоль вместе. При сжатии эта искусственная древесина проявляет сопротивление, аналогичное ее природному аналогу. Описанный в исследовании подход можно также назвать экологичным способом получения искусственной древесины, в котором можно использовать компост из наноматериалов, таких как целлюлозные нановолокна 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.
Описанная в данном исследовании, опубликованном в журнале Science Advances, новая стратегия открывает новые возможности для создания и разработки разнообразных высокоэффективных биомиметических композитных материалов, которые будут обладать значительными преимуществами перед традиционными аналогами. Такие новые материалы могут найти широкое применение во многих областях.
Источник (ы)
Zhi-Long Y и др. 2018 Биоинспирированная полимерная древесина. Наука развивается. 4 (8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
