Американці знайшли спосіб перетворити деревину на екологічну альтернативу пластику

Американські матеріалознавці загартували липу і підвищили її міцність в 23 рази. Виготовлений з неї ніж обійшов в гостроті комерційний, а липові цвяхи мали характеристики не гірше сталевих і пластикових. Такий ніж можна мити в посудомийній машині, а сам матеріал піддається переробці, але не корозії. Спосіб перетворити деревину на екологічну альтернативу пластику описали вчені в журналі Matter.

Що не так зі сталевими ножами і цвяхами?

Крім нових способів переробки пластику, вчені шукають матеріали, здатні не відставати від нього за характеристиками, але при цьому бути екологічною і економічно вигідною альтернативою. Сьогодні пластиком наповнені річки, океани, гори, ґрунти. Він міститься в тілах більшості морських хребетних і перетворився на частину раціону молодих австралійських черепах.

Втім, пластик є не єдиним матеріалом, який досі не вдається замінити чимось більш екологічним. Тверді матеріали на основі сплавів нікелю і титану, нітридів і карбідів металів і навіть алмази – основні сполучні і кріпильні матеріали, а також захисні покриття. Але для синтезу багатьох з них потрібні екстремальні умови, наприклад, надвисокий тиск і висока температура, що вимагає величезних економічних витрат, витрат енергії, а також призводить до негативного впливу на навколишнє середовище. Тому створення екологічно безпечного і недорогого альтернативного твердого матеріалу, який не вимагає складних технологічних процесів, все ще залишається проблемою.
Інженери з університету Меріленда вирішили підійти до вирішення завдання по розробці потенційно недорогого, стійкого і твердого матеріалу, і в той самий час найбільш поширеного – деревини.
 

Як деревина може замінити сталь?

Деревина широко використовується як конструкційний матеріал вже протягом тисячоліть. Вона поновлювана і доступна, а її основний компонент – целюлоза – є найпоширенішим біополімером на Землі і володіє винятковими внутрішніми механічними властивостями. Наприклад, жорсткість целюлози становить до 150 гігапаскалів, а теоретична міцність на розрив – 1,6-7,7 гігапаскаля. У целюлози невисока щільність, що приносить їй питому міцність в 1,0-5,1 гігапаскаля – вище, ніж в більшості конструкційних матеріалів, в тому числі титанових сплавів. Її пропонують використовувати навіть в електроніці, оскільки нановолокна з целюлози мають відмінні механічні та оптичні властивості.

Матеріалознавці запропонували новий підхід до переробки деревини з метою підвищення їй твердості. А щоб продемонструвати потенційні можливості нового матеріалу, вони вирішили порізати ним стейк і використовувати його як цвяхи. Так, вчені позбавили деревину деяких її складових – лігніну і геміцелюлози. Вони заповнюють собою каркас целюлози. Для цього американську липу (Tilia americana) замочили в розчині на водній основі з гідроксидом і сульфитом натрію, які витіснили лігнін і геміцелюлозу з пір зразків. Потім дерево кип’ятили при 100 градусах Цельсія протягом двох, чотирьох і шести годин. Автори роботи підкреслюють, що кераміка також вимагає нагріву до тисячі градусів при обробці. Липа стала м’якою і гнучкою, а для повного висихання, вчені стискали її близько шести годин під пресом в 20 мегапаскалів і температурі 105 градусів Цельсія. Отримані бруски протягом доби обробляли додатково оліями для водостійкості.
 
Де знадобилася така липа?

В результаті виявилося, що ті зразки, які вимочували протягом чотирьох годин, володіли кращою структурою, ніж ті, на які витратили 6 годин. У них виявили набагато менше дефектів, в тому числі основних, від яких намагалися позбутися, – порожнечі – це канали та пори, через які в деревині циркулює волога. Їхнє зменшення призвело до 23-кратного збільшення твердості цих оброблених липових брусків. Залежність твердості від часу хімічної обробки вчені пояснили двофазним ефектом процесу делігніфікації: з одного боку, делігніфікація знижує жорсткість, забезпечуючи значне ущільнення (особливо поблизу поверхні) обробленої деревини, а з іншого боку, процес хімічної обробки неминуче викликає часткове розчинення молекул целюлози в деревині, тим самим послаблюючи механічні властивості одержуваного зразка.

З них вчені виготовили дерев’яний ніж і кілька дерев’яних цвяхів. І виявилося, що столовий ніж з такої обробленої липи можна виготовити швидше, ніж звичайний, а сам він буде в три рази гостріше. Ним дослідники не менш успішно порізали стейк. Липовий цвях також показав не гірші характеристики, ніж сталевий цвях аналогічного розміру і при цьому він нечутливий до іржі – ключового механізму виходу з ладу сталевих цвяхів.

Деревина в руках матеріалознавців набуває найрізноманітніші властивості. Так, біопаста з відходів паперового виробництва зробила 3D-друк екологічнішим, а целюлоза допомогла створити самовідтворювані живі матеріали. Аналог деревини вдалося виростити з клітин квітів на Майорці, що в майбутньому допоможе знизити вирубку лісів, а цитрусовий екстракт зробив деревину прозорою і повністю відновлюваною.