06/05/2025
0Источник изображения: Фото Joel & Jasmin Førestbird на UnsplashД
Ученые улучшают прочность дерева с помощью нанотехнологий, не нарушая его естественных свойств.
Устойчивое строительство только что сделало удивительный шаг вперед благодаря исследователям из Атлантического университета Флориды. Им удалось укрепить обычное дерево наночастицами железа и создать материал с улучшенными свойствами, который может составить конкуренцию традиционным сталь и бетону. Результат говорит сам за себя: согласно исследованию, опубликованному в журнале ACS Applied Materials & Interfaces, модифицированная древесина на 260 % более жесткая и на 127 % более твердая. Компания New Atlas опубликовала все подробности этого исследования, которое обещает сократить на 10 % глобальные выбросы CO₂, которые приписываются обычным строительным материалам.
Технология использует ферригидрит, минерал, который вакуумным способом передается в клетки красного дуба. Интересно, что вес практически не изменяется, а дерево сохраняет свои естественные свойства теплоизоляции и легкости, теперь в сочетании с значительно более высокой прочностью. Это соединение традиционного и технологического представляет собой радикально иной подход к материаловедению.
Материал прошлого, заново открытый с помощью нанотехнологий
На микроскопическом уровне результаты впечатляют, но при увеличении до более крупных деталей улучшение снижается до скромных 10 %. Причина в том, что химический процесс негативно влияет на соединения между клетками дерева, что ограничивает структурные преимущества. Это техническая проблема, над решением которой уже работают исследователи.
Проект напрямую решает две основные проблемы. Во-первых, он представляет собой гораздо более экологичную альтернативу благодаря использованию возобновляемых источников энергии с низким углеродным следом при переработке. Если удастся усовершенствовать эту технологию, она сможет составить конкуренцию таким инновациям в области экологически устойчивого строительства, как бетон на батарейках.
Исследователи также изучают возможность комбинирования этой технологии с другими инновациями, такими как использование клеев на биологической основе для улучшения сцепления клеток или интеграция интеллектуальных датчиков в древесину, которые бы отслеживали ее структурную целостность в режиме реального времени. Эти усовершенствования могли бы облегчить профилактическое обслуживание и продлить срок службы конструкций, построенных из этого инновационного материала.
Одним словом, дерево, обработанное наночастицами железа, представляет собой смелый шаг в направлении более устойчивого и эффективного будущего в строительстве. Со временем и после преодоления технических проблем мы могли бы стать свидетелями более широкого использования этого материала в различных областях, что помогло бы снизить зависимость от загрязняющих и более дорогих строительных материалов.
Дополнительно:
Устойчивые нанотехнологии в области деревообработки
Эта статья на туже тему опубликованная в прошлом году.
В результате эволюции деревьев, длившейся около 300 миллионов лет, появилось более 60 000 видов древесных растений с уникальной иерархической пористой структурой и клеточными стенками, состоящими в основном из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Этот сложный природный дизайн позволяет деревьям достигать высоты 300 футов и эффективно транспортировать воду и питательные вещества. Исследование устойчивых нанотехнологий в области дерева направлено на использование исключительных свойств дерева на наноклеточном уровне, что приводит к инновационным применениям и улучшению функциональности продуктов на основе дерева.
Устойчивые нанотехнологии в области дерева сосредоточены на модификации древесных субстратов с помощью химических или физических средств, структурной инженерии, гибридизации с другими материалами и искусственного создания древесных структур с использованием принципов зеленой химии. Эти технологии, основанные на понимании превосходной структуры дерева, работают на наноклеточном уровне, включая нановолокна, нанокристаллы, частицы лигнина и экстрактивные вещества для улучшения свойств материалов на основе дерева.
Наноматериалы, полученные из древесины, такие как наноцеллюлоза, обладают прочностью, легкостью и многофункциональностью. Наноцеллюлоза находит применение в качестве агентов для повышения прочности во влажном или сухом состоянии, армирующих материалов, покрытий для электронных устройств, барьерных покрытий для долгосрочной защиты и т. д. Наночастицы способствуют улучшению свойств древесных плит и покрытий, а нанодобавки повышают прочность, водопоглощение, механические свойства, поглощение УФ-излучения и огнестойкость. Нанокапсулирование используется для усиления действия биоцидов, а пропитка металлическими наночастицами повышает долговечность.
Влияние наноматериалов распространяется на различные отрасли, включая производство бумаги, древесных композитов, покрытий для древесины, электронику, датчики, батареи, пищевую промышленность, упаковку, фармацевтику, косметику, строительство, биомедицину и консервацию. Уникальные свойства этих наноматериалов, включая поверхностные, электрические, оптические, механические, тепловые и гидродинамические свойства, превосходят традиционные возможности целлюлозы.
Успех нанотехнологий в деревообработке зависит от понимания нанонауки в области обработки, наноструктур и взаимосвязи между структурой и свойствами. Устойчивые нанотехнологии направлены на использование нетоксичных реагентов, внедрение экологически чистой химии и технологий, а также сокращение совокупного потребления энергии и выбросов CO2. Новые функции, такие как теплохранение, оптическая пропускаемость, огнестойкость и люминесценция, интегрируются в несущие деревянные конструкции для улучшения экологических показателей зданий в целом.
Текущие исследования сосредоточены на разработке высокоэффективных композитных армирующих материалов из нанофибрилл целлюлозы, улучшении существующих композитов на основе древесины и создании пленок и мембран с заданными свойствами. Применения включают нанокатализаторы на основе древесины для фотодеградации загрязняющих веществ, с усовершенствованием технологий изготовления, характеристик древесины и компьютерного моделирования.
Однако признаются потенциальные негативные последствия наноматериалов для здоровья человека и окружающей среды. К ним относятся окислительный стресс, генотоксичность, экотоксичность и производство продуктов, связанных с пропиткой клеточных стенок древесины потенциально опасными веществами, такими как формальдегид, что создает риски для здоровья человека. Постоянное внимание к этим проблемам имеет решающее значение для ответственного и устойчивого развития нанотехнологий в области дерева.
Преимущества/барьеры для использования и перспективы рынка
Наноцеллюлоза представляет собой экономически эффективную и экологически чистую альтернативу углеродным материалам, которая может революционизировать такие отрасли, как целлюлозно-бумажная, деревокомпозитная, деревопокрывная и деревоконсервирующая. Ее преимущества заключаются в большей экологичности, перерабатываемости и способности повышать энергоэффективность за счет снижения зависимости от невозобновляемых источников энергии. Интеграция наноцеллюлозы на клеточном уровне в материалы повышает эффективность при конкурентоспособных затратах, что может стимулировать рост национальной экономики и способствовать увеличению мирового экспорта.
Несмотря на очевидный потенциал нанотехнологий в области дерева, они все еще находятся на ранней стадии развития и требуют внимания для перехода на следующий уровень применения и коммерциализации. Для преодоления барьеров, связанных с затратами, необходимо решить такие проблемы, как масштабирование производства для крупных многофункциональных конструкций. Стратегии по повышению механических характеристик, сокращению количества необходимых материалов и внедрению новых методов и оборудования для процессов синтеза и интеграции имеют решающее значение для широкого внедрения экологически устойчивых наноматериалов из дерева.
Будущее развитие нанотехнологий в области дерева многообещающе, а сферы их применения расширяются и включают солнечную энергетику, проводящие материалы, солнечный водород, топливные элементы, батареи, устройства для выработки и преобразования энергии, хранение и преобразование энергии, водоочистку, управление тепловым и световым режимом, ионную наногидродинамику, экологически чистую электронику, биологические материалы, фотонику, очистку воды, устройства для хранения энергии и применение в сфере безопасности. Текущие исследования направлены на улучшение механических характеристик, снижение чувствительности к влажности, повышение влагостойкости и внедрение новых функциональных возможностей, что стимулирует разработку наноструктурных материалов с оптической прозрачностью и способностью к восстановлению окружающей среды.
