Інженери в Університеті штату Меріленд (UMD) знайшли спосіб зробити деревину більш ніж удесятеро міцнішою і щільнішою навіть за деякі титанові сплави.
Доцент з матеріалознавства та інженерії та член Інституту інновацій в галузі енергетики штату Меріленд Лянбін Ху, керівник команди, яка провадила дослідження, розповідає: «Цей новий спосіб обробки деревини робить її у дванадцять разів міцнішою, ніж натуральна деревина, і в десять разів щільнішою. Таким чином оброблена деревина може стати конкурентом сталевих або навіть титанових сплавів, настільки вона міцна і довговічна. Її також можна порівняти з вуглецевим волокном, але набагато дешевшим». Дослідники зазначають, що таке поєднання міцності і щільності зазвичай не зустрічається в природі
Двоступінчастий процес створення такої надміцної деревини досить простий. Він полягає в попередній обробці дерев’яної заготовки в розчині гідроокису й сульфату натрію при температурі кипіння води. Ці хімікати видаляють із деревини лігнін і геміцелюлозу, , які є основою структури й надають деревині міцність. Після такої хімічної обробки дерев’яний блок стискають між двома пластинами, нагрітими до 100˚С при тиску 5 МПа, що в 50 разів перевищує нормальний атмосферний тиск.
У результаті такої обробки об’єм деревини скорочується на 20% щодо вихідного, а щільність новоствореного матеріалу утричі перевищує початкову. Завдяки цьому оброблена щільна деревина набуває абсолютно нових фізичних властивостей. Вона здатна витримувати в 11,5 разу більші механічні навантаження, що ставить її за міцністю на один щабель зі сталлю, але деревина при цьому значно легша за цей метал.
Вчені встановили, що волокна деревини стискаються так щільно, що вони можуть утворювати міцні водневі зв’язки, як натовп людей, які не можуть поворушитися і міцно тримаються за руки. Стискання робить деревину уп’ятеро тоншою, ніж вона була до початку процесу.
«Найбільш видатним спостереженням, на мій погляд, є наявність граничної концентрації лігніну, цього клею між деревними клітинами, щоб максимізувати механічні характеристики ущільненої деревини. Якщо видалити занадто мало або занадто багато, це знижує міцність порівняно з максимальним значенням, досягнутим при середньому або частковому видаленні лігніну. Це демонструє тонкий баланс між водневими зв’язками та адгезією, наданою такою поліфенольною сполукою. Крім того, винятковий інтерес становить той факт, що таке ущільнення деревини призводить до посилення її міцності та щільності – двох властивостей, які зазвичай компенсують одна одну», – вважає Орландо Дж. Рохас, професор Університету Аалто у Фінляндії.
Під час перевірки можливостей новий матеріал порівнювали із натуральною деревиною. Дослідники стріляли по ньому сталевими кульками із пневматичної зброї – кульки наскрізь пробивали необроблену деревину, а від ущільненої або відскакували, або застрягали в ній.
Хімікати, які використовують для отримання ущільненої деревини, не становлять суттєвої проблеми для навколишнього середовища. При цьому процесу ущільнення піддається практично будь-який вид деревини – від найщільніших і важких порід до легких й менш щільних. Отож, у нового матеріалу величезний спектр можливих застосувань, його можна буде застосувати там, де традиційно використовували й використовують зараз важкі метали й сплави.
Новий матеріал може стати альтернативною використанню сталі там, де потрібно дотримуватися екологічної чистоти будинків і споруд. Окрім цього, з нового деревного матеріалу можна виготовити деякі вузли транспортних засобів, наприклад, автомобілів чи літаків, які завдяки цьому стануть трохи легшими й будуть витрачати меншу кількість палива або енергії.
Відкриття має й природоохоронне значення: воно дасть змогу замінити повільноростучі породи дерев із щільною деревиною, наприклад, тик, швидкоростучими, такими, як сосна й бальса. «Деревина м’яких порід, таких як сосна або бальса, які швидко ростуть і більш сприятливі для довкілля, може замінити повільнозростаючу, але більш щільну деревину, наприклад, тик, у меблях або будівлях», – переконаний Лянбін Ху.
Варто відзначити, що Лянбін Ху вже не вперше вивчає можливості нанотехнології деревини. Серед його досліджень – опріснення сонячної води для пиття та спеціальне фільтрування токсичних барвників, прозора деревина для енергоефективних будівель, фотонний папір для підвищення ефективності використання сонячних батарей на 30%, батарея і суперконденсатор з деревини та багато інших. Важливо і те, що це не просто чиста наука – комерціалізацією технологій успішно займається фірма «UMD».
