Zinātnieki ir izgatavojuši mākslīgo koku no sintētiskiem sveķiem, kas, atdarinot dabisko koku, uzrāda uzlabotas īpašības daudzfunkcionālai lietošanai
Koksne ir an bioloģisks šķiedru audi, kas atrodami kokos, krūmos un krūmos. Koku var saukt par visnoderīgāko un, iespējams, daudzpusīgāko materiālu planēta Zeme. Tas ir izmantots tūkstošiem gadu dažādiem mērķiem, un tas ir ļoti atzīmēts ar zemo blīvumu un augsto izturību. Koksnes unikālā anizotropā šūnu struktūra (ti, dažādas īpašības dažādos virzienos) piešķir tai pārsteidzošas mehāniskās īpašības, kā arī padara to stipru, stingru, bet tomēr vieglu un elastīgu. Koksnei ir augsta spiedes izturība un zema stiepes izturība. Koksne ir videi un izmaksām draudzīga, īpaši izturīga, izturīga un ilgmūžīga, un to var izmantot jebko celtniecībā, sākot no papīra izgatavošanas līdz māju celtniecībai.
Daba mums jau ir nodrošinājusi tādus pārsteidzošus materiālus kā koks. Tomēr dabā vienmēr ir iedvesma, lai izstrādātu un izstrādātu augstas veiktspējas biomimētiskos inženiertehniskos materiālus, kas varētu "atdarināt" dabā jau atrasto biomateriālu apbrīnojamās īpašības. Koksnes unikalitāti nosaka tās anizotropā šūnu struktūra, kā arī zems blīvums un augsta izturība. Nesenā pagātnē zinātnieki ir mēģinājuši izstrādāt materiālus, ņemot vērā šo koncepciju, lai dublētu koksnes īpašības, piemēram, augstu izturību un vieglumu. Tomēr lielākā daļa pētījumu ir noveduši pie neapmierinošiem rezultātiem, jo izstrādātajiem materiāliem bija viens vai otrs trūkums. Tas joprojām ir būtisks izaicinājums inženieriem būvēt mākslīgs kokam līdzīgi materiāli. Tam ir liela nozīme, jo dabīgā koka audzēšana prasa vairākus gadu desmitus, un laiks un efektivitāte ir spēcīgs kritērijs, lai izgatavotu dabīgajam kokam līdzīgu materiālu.
Bioiedvesmota koksne
Pētnieki no Ķīnas Zinātnes un tehnoloģijas universitātes ir izstrādājuši jaunu stratēģiju bioloģiski iedvesmota mākslīgā polimēra ražošanai koks plašā mērogā. Šim mākslīgajam materiālam ir koksnei līdzīga šūnu mikrostruktūra, laba mikrostruktūru vadāmība, un tas demonstrētu tādas īpašības kā vieglums un augsta izturība, kas ir analoga dabīgā koka mehāniskajām īpašībām. Pētnieki apgalvo, ka šis jaunais materiāls ir tikpat izturīgs kā dabīgais koks, atšķirībā no citiem līdz šim pētītajiem inženierijas veidiem.
Dabā sastopamā koksne satur dabisku polimēru, ko sauc par lignīnu, kas ir atbildīgs par koksnes stiprību. Lignīns saista mazus celulozes kristalītus sietam līdzīgā struktūrā, radot augstu izturību. Pētnieki domāja par lignīna replikāciju, izmantojot sintētisko polimēru, ko sauc par resolu, kam ir līdzīgas īpašības. Viņi veiksmīgi pārveidoja tradicionāli pieejamos rezolus (fenola sveķus un melamīna sveķus). mākslīgais koks kā materiāls. Pārvēršana tika panākta, vispirms izmantojot polimēra rezola pašsavienošanās īpašības un pēc tam tos apstrādājot. Lai panāktu pašsalikšanu, šķidrie termostata sveķi tika vienvirziena sasaldēti, pēc tam konservēti (savienoti vai polimerizēti) temperatūrā, kas nepārsniedz 200 grādus pēc Celsija. Izgatavotajam kokam ir šūnai līdzīga struktūra, kas ļoti atgādina dabīgā koka struktūru. Pēc tam tika veikta termiskā sacietēšana - process, kas sastāv no temperatūras izraisītām ķīmiskām izmaiņām (šeit, polimerizācija) rezolā, lai iegūtu mākslīgo polimēru koksni. Šāda materiāla poru izmēru un sieniņu biezumu var kontrolēt manuāli. Ne tikai tas, ka kristālītus, ko ražo rezols, var arī mainīt, pamatojoties uz koka veida prasībām. Krāsu var arī mainīt, pievienojot vai mainot kristalītus, kas satur rezolu kopā. Kad šī inženierijas koksne tiek saspiesta, tā uzrāda pretestību, kas ir līdzīga tās dabiskajam ekvivalentam. Pētījumā aprakstīto pieeju var saukt arī par zaļo pieeju mākslīgās koksnes sagatavošanai, kurā var izmantot tādu nanomateriālu kompostu kā celulozes nanošķiedras un grafēna oksīds.
Interesanti, ka mākslīgajam kokam ir labāka izturība pret koroziju pret ūdeni un skābi, salīdzinot ar dabisko koku, vienlaikus pieņemot, ka tā mehāniskās īpašības nepasliktinās. Tas nozīmē, ka mākslīgā koksne var izturēt ārkārtējus laikapstākļus un uzlabot aizsardzību. Tam ir arī labāka siltumizolācija un uzlabota ugunsizturība, un tas neaizdegas viegli, kā to dara dabīgais koks, galvenokārt tāpēc, ka rezols ir ugunsdrošs. Tas var būt labvēlīgs tādām nozarēm kā ražošana un celtniecība, jo īpaši dzīvojamās ēkas, kuras aizdegas, būvējot no dabīgā koka. Materiāls ir ideāli piemērots skarbām un skarbām vidēm, jo tas ir diezgan uzlabots, salīdzinot ar dabisko koku. Tas ir unikāls, salīdzinot ar standarta inženiertehniskajiem materiāliem, piemēram, šūnu keramiku un aerogēliem attiecībā uz stiprības un siltumizolācijas īpašībām. Tas ir arī efektīvāks par lielāko daļu plastmasas un koka kompozītmateriālu, jo tas ir stiprāks. Inženierijas koksnei ir diezgan daudz īpašību, kas padara to efektīvāku.
Šajā pētījumā aprakstītā jaunā stratēģija, kas publicēta Zinātne Avansa nodrošina jaunas iespējas, lai izgatavotu un izstrādātu dažādus augstas veiktspējas biomimētiskos inženiertehniskos kompozītmateriālus, kuriem būs ievērojamas priekšrocības salīdzinājumā ar tradicionālajiem līdziniekiem. Šādiem jauniem materiāliem var būt plašs pielietojums daudzās jomās.
***
{Jūs varat izlasīt oriģinālo pētījumu, noklikšķinot uz DOI saites, kas norādīta tālāk citēto avotu sarakstā}
Avots (-i)
Zhi-Long Y un al. 2018. gada bioloģiski iedvesmoti polimēru koki. Zinātne Avansa. 4 (8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
***
