Вчені створили деревину міцну, як сталь із залізом

Дослідники з Атлантичного університету Флориди у співпраці з Університетом Майамі та Національною лабораторією Оук Рідж розробили інноваційний метод хімічної модифікації деревини, що надає їй властивостей, подібних до сталі, створюючи міцніший та екологічно чистіший матеріал для будівельної галузі.

Поновлюваний ресурс з величезним потенціалом

Щорічний обсяг виробництва деревини у світі є вражаючим. Глобальне виробництво деревини сягає 181,5 мільярда тонн щороку, що робить її одним із найбагатших поновлюваних ресурсів планети. Науковці вбачають величезний потенціал у вдосконаленні природних властивостей цього матеріалу.

Головна ідея дослідження полягає в хімічній модифікації лігноцелюлози. Цей природний полімер присутній у деревині та багатьох інших рослинах. Модифікація покращує властивості деревини для різноманітних застосувань, зберігаючи її екологічні переваги.

Вівіан Мерк, старший автор дослідження, пояснює підхід науковців: “Розглядаючи деревину на різних рівнях – від мікроскопічних структур всередині клітинних стінок до цілого шматка деревини – ми змогли дізнатися більше про те, як хімічно покращити природні матеріали для використання в реальному світі”. Такий багаторівневий аналіз дозволив створити інноваційний матеріал.

Методологія та інноваційний процес зміцнення

Дослідницька команда розпочала з чіткого завдання. Вони прагнули з’ясувати, чи можливо підвищити міцність деревини без збільшення її ваги, вартості або негативного впливу на довкілля. Відповіддю стало використання нанорозмірних мінералів заліза.

Експерименти проводилися з різними видами кільцево-пористих твердих порід деревини. Дослідники вивчали дуб, клен, вишню та волоський горіх, зупинивши свій вибір на червоному дубі для подальших експериментів. Процес модифікації виявився доволі простим, але надзвичайно ефективним.

Науковці синтезували феригідрит, природний мінерал оксиду заліза. Для його створення вони поєднали нітрат заліза та гідроксид калію. Метою було введення цього мінералу безпосередньо в клітинні стінки деревини для зміцнення їхньої структури.

Аналіз властивостей та переваги модифікованої деревини

Для всебічного аналізу властивостей модифікованої деревини використовувалися передові методи дослідження. Атомно-силова мікроскопія дозволила вивчити матеріал на мікроскопічному рівні. Дослідники оцінювали жорсткість та еластичність зразків після обробки.

Додаткова методика AM-FM забезпечила точне спостереження за змінами в клітинних стінках. Команда також проводила стандартні механічні випробування зразків до та після обробки. Такий комплексний підхід дав повне уявлення про властивості нового матеріалу.

Результати показали, що обробка нанокристалічним оксигідроксидом заліза успішно зміцнила клітинні стінки деревини. Важливо, що цей процес додав лише мінімальну вагу, зберігаючи природні переваги деревини. Вівіан Мерк пояснює складність досліджуваного матеріалу: “Деревина, як і багато природних матеріалів, має складну структуру з різними шарами та властивостями в різних масштабах. Щоб по-справжньому зрозуміти, як деревина витримує навантаження і зрештою виходить з ладу, необхідно дослідити її на цих різних рівнях”.

Перспективи застосування та екологічні переваги

Модифікована деревина має широкі перспективи застосування в будівельній галузі. Стелла Баталама, декан Коледжу інженерії та комп’ютерних наук, підкреслює значення розробки: “Зміцнюючи натуральну деревину за допомогою екологічних та економічно ефективних методів, наші дослідники закладають основу для нового покоління біоматеріалів, які можуть замінити традиційні матеріали, такі як сталь і бетон, у будівництві”.

Екологічний потенціал цієї розробки є значним. Використання модифікованої деревини замість сталі та бетону може суттєво зменшити вуглецевий слід будівельної галузі. Матеріал можна застосовувати при спорудженні будівель, мостів, а також у виробництві меблів та підлогових покриттів.

Широке впровадження такого біоматеріалу матиме комплексний екологічний ефект. Воно сприятиме скороченню викидів вуглецю, зменшенню кількості відходів та розвитку сталого будівництва. Така інновація відповідає сучасним екологічним викликам та потребам сталого розвитку.