Naukowcy wyprodukowali sztuczne drewno z żywic syntetycznych, które naśladując naturalne drewno, wykazuje lepsze właściwości wielofunkcyjne
Drewno jest organiczny fibrous tissue found in trees, bushes and shrubs. Wood can be called as the most useful and maybe the most versatile material on planeta 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.
Natura dostarczyła nam już niesamowitych materiałów, takich jak drewno. Jednak zawsze istnieje inspiracja krążąca wokół natury, abyśmy mogli zaprojektować i opracować wysokowydajne biomimetyczne materiały inżynieryjne, które mogłyby „naśladować” niesamowite właściwości biomateriałów już występujących w naturze. Wyjątkowość drewna wynika z jego anizotropowej struktury komórkowej, małej gęstości i dużej wytrzymałości. W niedawnej przeszłości naukowcy próbowali zaprojektować materiały uwzględniające tę koncepcję, aby odtworzyć właściwości drewna, takie jak wysoka wytrzymałość i lekkość. Jednak większość badań doprowadziła do niezadowalających wyników, ponieważ zaprojektowane materiały miały jedną lub drugą wadę. Konstruowanie wciąż pozostaje dużym wyzwaniem dla inżynierów sztuczny materiały drewnopodobne. Ma to duże znaczenie, ponieważ wyhodowanie naturalnego drewna zajmuje dziesięciolecia, a czas i wydajność są silnym kryterium, jeśli chodzi o uzyskanie materiału podobnego do naturalnego drewna.
Bioinspirowane drewno
Naukowcy z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Chinach opracowali nową strategię wytwarzania sztucznych polimerów inspirowanych biologią drewno na dużą skalę. Ten sztuczny materiał ma podobną do drewna mikrostrukturę komórkową, dobrą kontrolę w mikrostrukturach i wykazywałby właściwości takie jak lekkość i wysoka wytrzymałość, analogiczne do właściwości mechanicznych naturalnego drewna. Naukowcy twierdzą, że ten nowy materiał jest tak samo mocny jak naturalne drewno, w przeciwieństwie do żadnego innego drewna konstrukcyjnego zbadanego do tej pory.
Drewno występujące w naturze zawiera naturalny polimer zwany ligniną, który jest odpowiedzialny za to, że drewno jest mocne. Lignina wiąże małe krystality celulozy w strukturę przypominającą siatkę, aby zapewnić wysoką wytrzymałość. Badacze myśleli o replikacji ligniny za pomocą syntetycznego polimeru zwanego rezolem, który ma podobne właściwości. Z powodzeniem przekształcili tradycyjnie dostępne rezole (żywicę fenolową i żywicę melaminową) w sztuczne drewno jak materiał. Konwersję osiągnięto najpierw wykorzystując właściwości samoorganizujące się rezolu polimerowego, a następnie poddając go mocowaniu. W celu uzyskania samoorganizacji żywice do termostatów cieczowych były jednokierunkowo zamrażane, a następnie utwardzane (sieciowane lub polimeryzowane) w temperaturach nie wyższych niż 200 stopni Celsjusza. Wyprodukowane drewno konstrukcyjne przyjmuje strukturę podobną do komórek, bardzo przypominającą naturalne drewno. Następnie przeprowadzono termoutwardzanie – proces polegający na wywołanej temperaturą przemianie chemicznej (tutaj polimeryzacja) w rezolu – w celu wytworzenia sztucznego drewna polimerowego. Wielkość porów i grubość ścianki takiego materiału można kontrolować ręcznie. Nie tylko to, krystality wytwarzane przez rezol można również zmieniać w zależności od wymagań gatunku drewna. Kolor można również zmienić przez dodanie lub zamianę krystalitów, które utrzymują razem rezol. Po ściśnięciu to drewno konstrukcyjne wykazuje odporność zbliżoną do swojego naturalnego odpowiednika. Podejście opisane w badaniu można również określić jako ekologiczne podejście do przygotowania sztucznego drewna, w którym można zastosować kompost z nanomateriałów, takich jak nanowłókien celulozy i tlenek grafenu.
Co ciekawe, sztuczne drewno konstrukcyjne wykazuje lepszą odporność na korozję w stosunku do wody i kwasów w porównaniu z drewnem naturalnym, przy założeniu, że jego właściwości mechaniczne nie ulegają pogorszeniu. Oznacza to, że sztuczne drewno może wytrzymać ekstremalne zjawiska pogodowe i będzie lepiej chroniło. Wykazuje również lepszą izolację termiczną i lepszą odporność na ogień i nie zapala się tak łatwo jak drewno naturalne, głównie dlatego, że rezol jest ognioodporny. Może to być dobrodziejstwem dla sektorów takich jak produkcja i budownictwo, zwłaszcza budynków mieszkalnych, które zapalają się, gdy są zbudowane z naturalnego drewna. Materiał idealnie nadaje się do trudnych i trudnych warunków, ponieważ jest znacznie lepszy w porównaniu z naturalnym drewnem. Jest wyjątkowy w porównaniu ze standardowymi materiałami konstrukcyjnymi, takimi jak ceramika komórkowa i aerożele, pod względem wytrzymałości i właściwości termoizolacyjnych. Jest również bardziej skuteczny niż większość kompozytów plastik-drewno ze względu na wyższą wytrzymałość. Drewno konstrukcyjne ma wiele właściwości, które czynią je bardziej wydajnymi.
Nowatorska strategia opisana w tym badaniu opublikowanym w Postępy nauki zapewnia nowe możliwości wytwarzania i projektowania różnorodnych wysokowydajnych materiałów kompozytowych inżynierii biomimetycznej, które będą miały znaczną przewagę nad ich tradycyjnymi odpowiednikami. Takie nowatorskie materiały mogą mieć szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach.
***
{Możesz przeczytać oryginalną pracę naukową, klikając link DOI podany poniżej na liście cytowanych źródeł}
Źródło (s)
Zhi-Long Y przy al. 2018 Drewno polimerowe inspirowane biologią. Postępy nauki. 4 ust. 8.
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
***
