Инженеры из Университета штата Мэриленд нашли способ сделать древесину более чем в 10 раз более прочной и жесткой, чем раньше, создав натуральное вещество, которое прочнее, чем многие титановые сплавы.
Credit: University of Maryland
«Этот новый способ обработки древесины делает его в 12 раз более прочным, чем натуральное дерево, и в 10 раз более жестким», - сказал Лянбинг Ху из инженерной школы им. А. Джеймса Кларка и руководитель группы, которая провела исследование. «Этот материал может стать конкурентом стали или даже титановых сплавов, он настолько прочен и долговечен, что также сопоставим с углеродным волокном, но гораздо дешевле».
Команда также проверила новый древесный материал и натуральную древесину, выпустив на нее пулеобразные снаряды. Снаряд прошел прямо через натуральную древесину. Полностью обработанная древесина остановила часть снаряда.
«Мягкие леса, такие как сосна, которые быстро растут и более экологичны, могут заменить более медленные, но более плотные леса, такие как тик в мебели или зданиях», - сказали ученые.
«Этот документ представляет собой многообещающий путь к дизайну легких конструкционных материалов с высокими эксплуатационными характеристиками с огромным потенциалом для широкого спектра применений, где требуется высокая прочность, большая вязкость и превосходная баллистическая устойчивость», - сказал Хуайян Гао, профессор Брауна Университет, который не участвовал в исследовании. «Особенно интересно отметить, что этот метод универсален для различных видов древесины и довольно легко реализуется».
«Этот вид древесины можно использовать в автомобилях, самолетах, зданиях - любое применение, где используется сталь», - сказали ученые.
«Наиболее выдающимся наблюдением, на мой взгляд, является наличие предельной концентрации лигнина, клея между древесными клетками, чтобы максимизировать механические характеристики уплотненной древесины. Слишком малое или слишком большое удаление снижает прочность по сравнению с максимальной величиной достигнутого при промежуточном или частичном лигнине, что свидетельствует о тонком балансе между водородными связями и адгезией, придаваемыми таким полифенольным соединением. Кроме того, большой интерес представляет тот факт, что это уплотнение древесины приводит к увеличению прочности и ударной вязкости, которые обычно компенсируют друг друга », - сказал Орландо Дж. Рохас, профессор Университета Аалто в Финляндии.
Простая и эффективная стратегия преобразования массивной натуральной древесины непосредственно в высокопроизводительный конструкционный материал с более чем десятикратным увеличением прочности, ударной вязкости и баллистической устойчивости и с большей стабильностью размеров заключается в следующем. Двухстадийный процесс включает частичное удаление лигнина и гемицеллюлозы из натуральной древесины с помощью процесса кипения в водной смеси NaOH и Na2SO3 с последующим горячим прессованием, что приводит к полному разрушению клеточных стенок и уплотнению естественного дерева с высокоуровневыми нановолокнами из целлюлозы.
Источник: Jianwei Song, Chaoji Chen, Shuze Zhu, Mingwei Zhu, Jiaqi Dai, Upamanyu Ray, Yiju Li, Yudi Kuang, Yongfeng Li, Nelson Quispe, Yonggang Yao, Amy Gong, Ulrich H. Leiste, Hugh A. Bruck, J. Y. Zhu, Azhar Vellore, Heng Li, Marilyn L. Minus, Zheng Jia, Ashlie Martini, Teng Li, Liangbing Hu. Processing bulk natural wood into a high-performance structural material. Nature, 2018; 554 (7691): 224 DOI: 10.1038/nature25476