Οι επιστήμονες κατασκεύασαν τεχνητό ξύλο από συνθετικές ρητίνες το οποίο ενώ μιμείται το φυσικό ξύλο παρουσιάζει βελτιωμένες ιδιότητες για πολυλειτουργική χρήση
Το ξύλο είναι ένα οργανικές fibrous tissue found in trees, bushes and shrubs. Wood can be called as the most useful and maybe the most versatile material on πλανήτης 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.
Η φύση μας έχει ήδη προσφέρει καταπληκτικά υλικά όπως το ξύλο. Ωστόσο, υπάρχει πάντα μια έμπνευση που περιστρέφεται γύρω από τη φύση για να σχεδιάσουμε και να αναπτύξουμε βιομιμητικά υλικά μηχανικής υψηλής απόδοσης, υλικά που θα μπορούσαν να «μιμηθούν» τις εκπληκτικές ιδιότητες των βιοϋλικών που βρίσκονται ήδη στη φύση. Η μοναδικότητα του ξύλου προέρχεται από την ανισότροπη κυτταρική του δομή μαζί με τη χαμηλή πυκνότητα και την υψηλή αντοχή. Στο πρόσφατο παρελθόν, οι επιστήμονες προσπάθησαν να σχεδιάσουν υλικά λαμβάνοντας υπόψη αυτήν την ιδέα σε μια προσπάθεια να αντιγράψουν τις ιδιότητες του ξύλου όπως η υψηλή αντοχή και το ελαφρύ. Ωστόσο, το μεγαλύτερο μέρος της έρευνας οδήγησε σε μη ικανοποιητικά αποτελέσματα καθώς τα υλικά που σχεδιάστηκαν υπέφεραν από το ένα ή το άλλο ελάττωμα. Παραμένει ακόμη μια ουσιαστική πρόκληση για τους μηχανικούς να κατασκευάσουν τεχνητός υλικά που μοιάζουν με ξύλο. Αυτό είναι πολύ σημαντικό επειδή χρειάζονται δεκαετίες για να αναπτυχθεί φυσικό ξύλο και ο χρόνος και η αποτελεσματικότητα αποτελούν ισχυρό κριτήριο όταν θέλετε να φτιάξετε ένα υλικό παρόμοιο με το φυσικό ξύλο.
Βιοεμπνευσμένο ξύλο
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας επινόησαν μια νέα στρατηγική για την κατασκευή βιοεμπνευσμένου τεχνητού πολυμερούς ξύλο σε μία μεγάλη κλίμακα. Αυτό το τεχνητό υλικό έχει κυτταρική μικροδομή σαν ξύλο, καλή δυνατότητα ελέγχου στις μικροδομές και θα επιδείξει ιδιότητες όπως το ελαφρύ και υψηλή αντοχή ανάλογες με τις μηχανικές ιδιότητες του φυσικού ξύλου. Οι ερευνητές δηλώνουν ότι αυτό το νέο υλικό είναι τόσο ισχυρό όσο το φυσικό ξύλο σε αντίθεση με οποιοδήποτε άλλο κατασκευασμένο ξύλο που έχει ερευνηθεί μέχρι σήμερα.
Το ξύλο που βρίσκεται στη φύση περιέχει ένα φυσικό πολυμερές που ονομάζεται λιγνίνη, το οποίο είναι υπεύθυνο για το ισχυρό του ξύλου. Η λιγνίνη συνδέει μικρούς κρυσταλλίτες κυτταρίνης σε μια δομή που μοιάζει με πλέγμα για να δημιουργήσει υψηλή αντοχή. Οι ερευνητές σκέφτηκαν να αναπαράγουν τη λιγνίνη χρησιμοποιώντας ένα συνθετικό πολυμερές που ονομάζεται ρεζόλη, το οποίο έχει παρόμοιες ιδιότητες. Μετέτρεψαν με επιτυχία τα παραδοσιακά διαθέσιμα ρεζόλ (φαινολική ρητίνη και ρητίνη μελαμίνης) σε τεχνητο ξυλο σαν υλικό. Η μετατροπή επιτεύχθηκε χρησιμοποιώντας πρώτα τις ιδιότητες αυτοσυναρμολόγησης του ρεζόλης πολυμερούς και στη συνέχεια υποβάλλοντας σε αυτο-συναρμολόγηση. Για την επίτευξη αυτοσυναρμολόγησης, οι ρητίνες υγρού θερμοστάτη καταψύχθηκαν μονής κατεύθυνσης και στη συνέχεια σκληρύνθηκαν (διασταυρώθηκαν ή πολυμερίστηκαν) σε θερμοκρασίες όχι μεγαλύτερες από 200 βαθμούς Κελσίου. Το κατασκευασμένο ξύλο που παράγεται υιοθετεί μια κυτταρική δομή που μοιάζει πολύ με αυτή του φυσικού ξύλου. Ακολούθως, η θερμική σκλήρυνση – μια διαδικασία που συνίσταται σε χημική αλλαγή που προκαλείται από τη θερμοκρασία (εδώ, πολυμερισμός) στο ρεζόλ – πραγματοποιήθηκε για την παραγωγή τεχνητών πολυμερών ξύλων. Το μέγεθος των πόρων και το πάχος του τοιχώματος ενός τέτοιου υλικού μπορούν να ελεγχθούν χειροκίνητα. Όχι μόνο αυτό, οι κρυσταλλίτες που φτιάχνει το ρεζόλ μπορούν επίσης να αλλάξουν ανάλογα με την απαίτηση του τύπου ξύλου. Το χρώμα θα μπορούσε επίσης να αλλάξει προσθέτοντας ή αλλάζοντας τους κρυσταλλίτες που συγκρατούν το ρεζόλ μαζί. Όταν αυτό το κατασκευασμένο ξύλο συμπιέζεται, παρουσιάζει αντίσταση παρόμοια με το φυσικό του αντίστοιχο. Η προσέγγιση που περιγράφεται στη μελέτη μπορεί επίσης να ονομαστεί ως μια πράσινη προσέγγιση για την παρασκευή τεχνητών ξύλων όπου μπορεί να χρησιμοποιηθεί κομπόστ από νανοϋλικά όπως οι νανοΐνες κυτταρίνης και το οξείδιο του γραφενίου.
Είναι ενδιαφέρον ότι το κατασκευασμένο τεχνητό ξύλο εμφανίζει καλύτερη αντοχή στη διάβρωση στο νερό και το οξύ σε σύγκριση με το φυσικό ξύλο, ενώ υποθέτει ότι δεν υποχωρεί στις μηχανικές του ιδιότητες. Αυτό σημαίνει ότι το τεχνητό ξύλο μπορεί να αντισταθεί σε ακραία καιρικά φαινόμενα και θα βελτιωθεί στην παροχή προστασίας. Δείχνει επίσης καλύτερη θερμομόνωση και βελτιωμένη αντοχή στη φωτιά και δεν θα πιάσει φωτιά εύκολα όπως το φυσικό ξύλο, κυρίως επειδή το ρεζόλ είναι επιβραδυντικό φωτιάς. Αυτό μπορεί να είναι ένα όφελος για τομείς όπως η μεταποίηση και οι κατασκευές, ειδικά τα κτίρια κατοικιών που παίρνουν φωτιά όταν κατασκευάζονται με φυσικό ξύλο. Το υλικό είναι ιδανικό για σκληρά και σκληρά περιβάλλοντα καθώς είναι αρκετά ενισχυμένο σε σύγκριση με το φυσικό ξύλο. Είναι μοναδικό σε σύγκριση με τυπικά υλικά μηχανικής όπως τα κυψελωτά κεραμικά και τα αεροτζελ σε σχέση με την αντοχή και τις θερμομονωτικές ιδιότητες. Είναι επίσης πιο αποτελεσματικό από τα περισσότερα σύνθετα υλικά πλαστικού ξύλου λόγω της υψηλότερης αντοχής του. Το κατασκευασμένο ξύλο έχει πολλές ιδιότητες που το καθιστούν πιο αποτελεσματικό.
Η νέα στρατηγική που περιγράφεται σε αυτή τη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Προκαταβολές Επιστήμη παρέχει νέους δρόμους για την κατασκευή και τη μηχανική ποικιλία σύνθετων υλικών βιομιμητικής μηχανικής υψηλής απόδοσης που θα έχουν κάποιο σημαντικό πλεονέκτημα έναντι των παραδοσιακών ομολόγων τους. Τέτοια νέα υλικά μπορούν να έχουν ευρείες εφαρμογές σε πολλούς τομείς.
***
{Μπορείτε να διαβάσετε την αρχική ερευνητική εργασία κάνοντας κλικ στον σύνδεσμο DOI που δίνεται παρακάτω στη λίστα των αναφερόμενων πηγών}
Πηγές)
Zhi-Long Y at al. 2018 Βιοεμπνευσμένα πολυμερή ξύλα. Προκαταβολές Επιστήμη. 4 (8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
***
