Oamenii de știință au fabricat lemn artificial din rășini sintetice care, deși imită lemnul natural, prezintă proprietăți îmbunătățite pentru utilizare multifuncțională.
Lemnul este un organic țesut fibros găsit în copaci, tufișuri și arbuști. Lemnul poate fi numit ca fiind cel mai util și poate cel mai versatil material pe care îl are planetă Pământ. A fost folosit de mii de ani în scopuri multiple și este foarte remarcat pentru densitatea sa scăzută și rezistența ridicată. Structura celulară anizotropă unică (adică proprietăți diferite în direcții diferite) a lemnului îi conferă proprietăți mecanice uimitoare, făcându-l puternic, rigid, dar totuși ușor și flexibil. Lemnul are o rezistență ridicată la compresiune și o rezistență scăzută la tracțiune. Lemnul este prietenos cu mediul și costurile, foarte puternic, durabil și de lungă durată și poate fi folosit pentru a construi orice, de la fabricarea hârtiei până la construirea de case.
Natura ne-a oferit deja materiale uimitoare precum lemnul. Cu toate acestea, există întotdeauna o inspirație care se învârte în jurul naturii pentru ca noi să proiectăm și să dezvoltăm materiale de inginerie biomimetică de înaltă performanță, care ar putea „imita” proprietățile uimitoare ale biomaterialelor deja găsite în natură. Unicitatea lemnului provine din structura sa celulară anizotropă, împreună cu densitatea scăzută și rezistența ridicată. În trecutul recent, oamenii de știință au încercat să proiecteze materiale având în vedere acest concept, în încercarea de a duplica proprietățile lemnului, cum ar fi rezistența ridicată și ușurința. Cu toate acestea, majoritatea cercetărilor au condus la rezultate nesatisfăcătoare, deoarece materialele proiectate au suferit de un defect sau altul. Rămâne încă o provocare substanțială pentru ingineri să construiască artificial materiale asemănătoare lemnului. Acest lucru este de mare relevanță deoarece este nevoie de decenii pentru a crește lemnul natural, iar timpul și eficiența sunt un criteriu puternic atunci când căutați să faceți un material similar lemnului natural.
Lemn bioinspirat
Cercetătorii de la Universitatea de Știință și Tehnologie din China au conceput o strategie nouă pentru fabricarea polimerului artificial bioinspirat lemn pe scară largă. Acest material artificial are o microstructură celulară asemănătoare lemnului, o bună controlabilitate în microstructuri și ar demonstra proprietăți precum ușurința și rezistența ridicată, analoge cu proprietățile mecanice ale lemnului natural. Cercetătorii afirmă că acest nou material este la fel de puternic ca lemnul natural, spre deosebire de orice alt lemn de inginerie cercetat până în prezent.
Lemnul găsit în natură conține un polimer natural numit lignină, care este responsabil pentru ca lemnul să fie puternic. Lignina leagă mici cristaliți de celuloză împreună într-o structură asemănătoare ochiurilor pentru a crea o rezistență ridicată. Cercetătorii s-au gândit la replicarea ligninei folosind un polimer sintetic numit resol, care are proprietăți similare. Au transformat cu succes rezoluțiile disponibile în mod tradițional (rășină fenolică și rășină melamină) în lemn artificial ca materialul. Conversia a fost realizată prin utilizarea mai întâi a proprietăților de auto-asamblare ale rezoluției polimerice și apoi prin supunerea la termoindurire. Pentru a realiza auto-asamblarea, rășinile lichide de termostat au fost congelate unidirecțional, apoi întărite (reticulate sau polimerizate) la temperaturi de cel mult 200 de grade Celsius. Lemnul de inginerie produs adoptă o structură asemănătoare celulei care seamănă foarte mult cu cea a lemnului natural. Ulterior, termopolimerizarea – un proces care constă în modificarea chimică indusă de temperatură (aici, polimerizarea) în rezoluție – a fost efectuată pentru a produce lemne polimerice artificiale. Dimensiunea porilor și grosimea peretelui unui astfel de material pot fi controlate manual. Nu doar atât, cristaliții pe care le produce rezoluția pot fi, de asemenea, modificați în funcție de cerințele tipului de lemn. Culoarea poate fi, de asemenea, modificată prin adăugarea sau schimbarea cristalitelor care țin rezoluția împreună. Când acest lemn prelucrat este comprimat, prezintă o rezistență similară cu omologul său natural. Abordarea descrisă în studiu poate fi denumită și o abordare ecologică pentru prepararea lemnului artificial în care se poate folosi compost de nanomateriale precum nanofibrele de celuloză și oxidul de grafen.
În mod interesant, lemnul artificial proiectat prezintă o rezistență mai bună la coroziune la apă și acid în comparație cu lemnul natural, în timp ce nu presupune nicio scădere a proprietăților sale mecanice. Aceasta înseamnă că lemnul artificial poate rezista la fenomene meteorologice extreme și ar fi îmbunătățit pentru a oferi protecție. De asemenea, prezintă o izolație termică mai bună și o rezistență îmbunătățită la foc și nu s-ar aprinde cu ușurință, așa cum o face lemnul natural, în principal pentru că rezolul este ignifug. Acest lucru poate fi un avantaj pentru sectoare precum producția și construcțiile, în special clădirile rezidențiale care iau foc atunci când sunt construite folosind lemn natural. Materialul este ideal pentru medii dure și dure, deoarece este destul de îmbunătățit în comparație cu lemnul natural. Este unic în comparație cu materialele de inginerie standard, cum ar fi ceramica celulară și aerogelurile, în ceea ce privește rezistența și proprietățile de izolare termică. De asemenea, este mai eficient decât majoritatea compozitelor plastic-lemn datorită rezistenței sale mai mari. Lemnul prelucrat are o mulțime de proprietăți care îl fac mai eficient.
Strategia inedită descrisă în acest studiu publicat în Avansuri de știință oferă noi căi pentru fabricarea și proiectarea unei varietăți de materiale compozite de inginerie biomimetică de înaltă performanță, care vor avea un avantaj semnificativ față de omologii lor tradiționali. Astfel de materiale noi pot avea aplicații largi în multe domenii.
***
{Puteți citi lucrarea originală de cercetare făcând clic pe linkul DOI de mai jos în lista surselor citate}
Sursa (s)
Zhi-Long Y și colab. 2018 Lemuri polimerice bioinspirate. Avansuri de știință. 4(8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
***
