Навукоўцы вырабілі штучную драўніну з сінтэтычных смол, якая, імітуючы натуральнае дрэва, праяўляе палепшаныя ўласцівасці для шматфункцыянальнага выкарыстання
Дрэва - гэта арганічны фіброзная тканіна дрэў, кустоў і кустоў. Дрэва можна назваць самым карысным і, магчыма, самым універсальным матэрыялам планета Зямля. Ён выкарыстоўваўся на працягу тысячагоддзяў для розных мэтаў і высока адзначаны сваёй нізкай шчыльнасцю і высокай трываласцю. Унікальная анізатропная клеткавая структура (г.зн. розныя ўласцівасці ў розных напрамках) драўніны надае ёй дзіўныя механічныя ўласцівасці, а таксама робіць яе трывалай, жорсткай, але пры гэтым лёгкай і гнуткай. Драўніна валодае высокай трываласцю на сціск і нізкай трываласцю на разрыў. Драўніна з'яўляецца экалагічнай і эканамічнай, звышмоцнай, трывалай і даўгавечнай, і яе можна выкарыстоўваць для будаўніцтва чаго заўгодна: ад вытворчасці паперы да будаўніцтва дамоў.
Прырода ўжо падарыла нам такія дзіўныя матэрыялы, як дрэва. Тым не менш, вакол прыроды заўсёды ёсць натхненне для распрацоўкі і распрацоўкі высокаэфектыўных біяміметычных інжынерных матэрыялаў, якія маглі б «імітаваць» дзіўныя ўласцівасці біяматэрыялаў, якія ўжо сустракаюцца ў прыродзе. Унікальнасць драўніны звязана з яе анізатропнай ячэістай структурай разам з нізкай шчыльнасцю і высокай трываласцю. У нядаўнім мінулым навукоўцы спрабавалі распрацаваць матэрыялы з улікам гэтай канцэпцыі, каб паўтарыць такія ўласцівасці драўніны, як высокая трываласць і лёгкасць. Аднак большасць даследаванняў прывялі да нездавальняючых вынікаў, паколькі распрацаваныя матэрыялы пакутавалі ад таго ці іншага недахопу. Для інжынераў па-ранейшаму застаецца сур'ёзнай задачай пабудаваць штучны матэрыялы, падобныя на дрэва. Гэта вельмі актуальна, таму што вырошчванне натуральнай драўніны займае дзесяцігоддзі, а час і эфектыўнасць з'яўляюцца моцным крытэрыем, калі вы хочаце зрабіць матэрыял, падобны да натуральнага дрэва.
Біяінспіраванае дрэва
Даследнікі з Універсітэта навукі і тэхнікі Кітая распрацавалі новую стратэгію вытворчасці біяінспіраваных штучных палімераў дрэва у буйным маштабе. Гэты штучны матэрыял мае ячэістую мікраструктуру дрэвападобную, добрую кіравальнасць мікраструктурамі і прадэманструе такія ўласцівасці, як лёгкасць і высокая трываласць, аналагічны механічным уласцівасцям натуральнай драўніны. Даследчыкі сцвярджаюць, што гэты новы матэрыял такі ж трывалы, як натуральнае дрэва, у адрозненне ад любых іншых інжынерных парод драўніны, даследаваных да гэтага часу.
Драўніна, якая сустракаецца ў прыродзе, змяшчае натуральны палімер пад назвай лігнін, які адказвае за тое, што драўніна моцная. Лігнін звязвае дробныя крышталіты цэлюлозы разам у сеткападобныя структуры для стварэння высокай трываласці. Даследчыкі думалі аб рэплікацыі лігніну з дапамогай сінтэтычнага палімера пад назвай рэзол, які валодае падобнымі ўласцівасцямі. Яны паспяхова ператварылі традыцыйна даступныя рэзолы (фенольная смала і меламінавая смала). штучная драўніна як матэрыял. Ператварэнне было дасягнута спачатку выкарыстаннем уласцівасцяў самазборкі палімернага рэзола, а затым праходжаннем іх мацавання. Для дасягнення самазборкі вадкія смалы тэрмастатаў аднанакіравана замарожвалі, а затым отверждали (сшывалі або полімерызавалі) пры тэмпературы не больш за 200 градусаў Цэльсія. Вырабленая драўніна мае ячэістую структуру, якая вельмі нагадвае структуру натуральнай драўніны. У далейшым для атрымання штучнай палімернай драўніны было праведзена тэрмаапрацоўка - працэс, які складаецца з хімічных змяненняў, выкліканых тэмпературай (тут, полімерызацыі) у рэзоле. Памер пор і таўшчыню сценкі такога матэрыялу можна кантраляваць ўручную. Мала таго, крышталіты, якія вырабляе рэзол, таксама могуць быць зменены ў залежнасці ад патрабаванняў тыпу драўніны. Колер таксама можа быць зменены шляхам дадання або пераключэння крышталітаў, якія ўтрымліваюць рэзол разам. Калі гэтая спраектаваная драўніна сціскаецца, яна праяўляе ўстойлівасць, такую ж, як і яе натуральная аналага. Падыход, апісаны ў даследаванні, таксама можна назваць зялёным падыходам да падрыхтоўкі штучнай драўніны, у якой можна выкарыстоўваць кампост з нанаматэрыялаў, такіх як цэлюлозныя нановолокна і аксід графена.
Цікава, што спраектаваная штучная драўніна дэманструе лепшую каразійную ўстойлівасць да вады і кіслаты ў параўнанні з натуральнай драўнінай, не мяркуючы зніжэння яе механічных уласцівасцяў. Гэта азначае, што штучнае дрэва можа супрацьстаяць экстрэмальным з'явам надвор'я і будзе палепшана забяспечваць абарону. Ён таксама паказвае лепшую цеплаізаляцыю і палепшаную ўстойлівасць да агню і не загараецца лёгка, як натуральнае дрэва, галоўным чынам таму, што рэзол з'яўляецца вогнеахоўным. Гэта можа быць дабром для такіх сектараў, як вытворчасць і будаўніцтва, асабліва жылыя дамы, якія загараюцца пры будаўніцтве з натуральнага дрэва. Матэрыял ідэальна падыходзіць для цяжкіх і цяжкіх умоў, так як ён значна палепшаны ў параўнанні з натуральным дрэвам. Ён унікальны ў параўнанні са стандартнымі інжынернымі матэрыяламі, такімі як ячэістая кераміка і аэрагелі, па трываласці і цеплаізаляцыйным уласцівасцям. Ён таксама больш эфектыўны, чым большасць кампазітаў з пластыка і дрэва, дзякуючы сваёй больш высокай трываласці. Інжынерная драўніна мае даволі шмат уласцівасцяў, якія робяць яе больш эфектыўнай.
Новая стратэгія, апісаная ў гэтым даследаванні, апублікаваным у Навука развіваецца забяспечвае новыя магчымасці для вырабу і стварэння разнастайнасці высокаэфектыўных біяміметычных інжынерных кампазітных матэрыялаў, якія будуць мець некаторыя істотныя перавагі ў параўнанні з іх традыцыйнымі аналагамі. Такія новыя матэрыялы могуць мець шырокае прымяненне ў многіх галінах.
***
{Вы можаце прачытаць арыгінальную даследчую працу, націснуўшы на спасылку DOI, прыведзены ніжэй у спісе цытуемых крыніц}
Крыніца (я)
Чжы-Лонг Y і інш. 2018 Біяінспіраваныя палімерныя драўніны. Навука развіваецца. 4 (8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
***
