Инженеры из Университета штата Мэриленд нашли способ сделать древесину более чем в 10 раз более прочной и жесткой, чем раньше, создавая натуральную субстанцию, которая прочнее, чем многие титановые сплавы и может заменить даже сталь во многих случаях.
«Этот новый способ обработки древесины делает его в 12 раз более прочным, чем натуральное дерево, и в 10 раз более жестким», - сказал Лянбинг Ху (Liangbing Hu) из инженерной школы им. А. Джеймса Кларка и руководитель группы, которая провела исследование, статья о котором опубликована в журнале Nature.
«Это может быть конкурентом стали или даже титановых сплавов, он настолько прочен и долговечен, что также сопоставим с углеродным волокном, но гораздо дешевле». Ху является доцентом по материаловедению и технике, а также членом Инновационного института энергетики штата Мэриленд.
«Это и прочная, и жесткая, субстанция, что является комбинацией, которая обычно не встречается в природе», - сказал Тенг Ли (Teng Li), со-лидер команды, доцент механического машиностроения. Его команда измерила механические свойства плотной древесины. «Материал такой же прочный, как и сталь, но в шесть раз легче, он требует в 10 раз больше энергии для разрушения, чем натуральное дерево. Его можно даже согнуть и сформовать в начале процесса».
Лянбинг Ху, слева, и Тенг Ли, справа, являются инженерами в Университете штата Мэриленд, которые нашли способ сделать дерево прочнее и жестче, чем раньше. Фото: University of Maryland
Команда также проверила новый древесный материал и натуральную древесину, выпустив в нее пулеобразные снаряды. Снаряд пролетал прямо насквозь через натуральную древесину. Полностью обработанная древесина остановила часть снаряда.
«Мягкие древесина, таких деревьев как сосна или бальза, которые быстро растут и более экологичны, могла бы заменить более плотную древесину медленно-растущих деревьев, таких как тиковое дерево, используемое в производстве мебели или строительстве зданий», - сказал Ху.
«Этот документ представляет собой многообещающий путь к дизайну легких конструкционных материалов с высокими эксплуатационными характеристиками с огромным потенциалом для широкого спектра применений, где требуется высокая прочность, большая вязкость и превосходная баллистическая устойчивость», - сказал Хуайян Гао (Huajian Gao), профессор Университета Брауна, который не участвовал в исследовании. «Особенно интересно отметить, что этот метод универсален для различных видов древесины и довольно легко реализуется».
«Этот вид древесины можно использовать в автомобилях, самолетах, зданиях - в любом применении, где используется сталь», - сказал Ху.
«Двухступенчатый процесс, описанный в этой статье, обеспечивает исключительно высокую прочность, намного превосходящую то, что сообщается в литературе», - сказал Чжиган Суо (Zhigang Suo), профессор механики и материалов в Гарвардском университете, также не участвовший в исследовании. «Учитывая обилие древесины, а также других богатых целлюлозой растений, эта статья вдохновляет воображение».
На изображении показаны: натуральная древесина в несжатом первоначальном виде, обработанная древесина в несжатом виде, натуральная древесина в сжатом виде и обработанная древесина в сжатом виде после прессовки. Фото: University of Maryland
«Наиболее выдающимся результатом научных наблюдений, на мой взгляд, является определение предельной концентрации лигнина, клея между древесными клетками, чтобы максимизировать механические характеристики уплотненной древесины. Слишком малое или слишком большое удаление снижает прочность по сравнению с максимальным значением, достигнутым при промежуточном или частичном удалении лигнина. Это показывает тонкий баланс между водородной связью и адгезией, придаваемой таким полифенольным соединением. Кроме того, большой интерес представляет тот факт, что это уплотнение древесины приводит к увеличению прочности и ударной вязкости, свойств, которые обычно компенсируют друг друга», - сказал Орландо Дж. Рохас (Orlando J. Rojas), профессор Университета Аалто в Финляндии.
Исследования Ху выяснили возможности естественной нанотехнологии древесины. Ранее они придумывали ряд новых технологий из материалов, относящихся к наноцеллюлозе: (1) сверхчистая бумага для замены пластика; (2) фотонная бумага для повышения эффективности солнечных элементов на 30%; (3) батарея и суперконденсатор из дерева; (4) батарея из листвы; (5) прозрачная древесина для энергоэффективных зданий; (6) солнечное опреснение воды для питья и, в частности, фильтрация токсичных красителей. Эти новые технологии, основанные на древесине, коммерциализируются через компанию UMD spinoff, Inventwood LLC.
Источник: techxplore.com
