Znanstvenici su izradili umjetno drvo od sintetičkih smola koje, oponašajući prirodno drvo, pokazuje poboljšana svojstva za višenamjensku upotrebu
Drvo je organski vlaknasto tkivo koje se nalazi u drveću, grmlju i grmlju. Drvo se može nazvati najkorisnijim i možda najsvestranijim materijalom planeta Zemlja. Koristio se tisućama godina u višestruke svrhe i vrlo je poznat po svojoj niskoj gustoći i velikoj čvrstoći. Jedinstvena anizotropna stanična struktura (tj. različita svojstva u različitim smjerovima) drva daje mu nevjerojatna mehanička svojstva, čineći ga jakim, krutim, ali ipak laganim i fleksibilnim. Drvo ima visoku tlačnu čvrstoću i nisku vlačnu čvrstoću. Drvo je prihvatljivo za okoliš i cijenu, super je čvrsto, izdržljivo i dugotrajno te se može koristiti za gradnju svega, od izrade papira do izgradnje kuća.
Priroda nam je već pružila nevjerojatne materijale poput drveta. Ipak, uvijek postoji inspiracija koja se vrti oko prirode kako bismo dizajnirali i razvili visokoučinkovite biomimetičke inženjerske materijale, one koji bi mogli 'imitirati' nevjerojatna svojstva biomaterijala koji se već nalaze u prirodi. Jedinstvenost drva proizlazi iz njegove anizotropne stanične strukture zajedno s niskom gustoćom i visokom čvrstoćom. U nedavnoj prošlosti znanstvenici su pokušali dizajnirati materijale s obzirom na ovaj koncept u pokušaju da dupliciraju svojstva drva poput visoke čvrstoće i lakoće. Međutim, većina istraživanja dovela je do nezadovoljavajućih rezultata jer su dizajnirani materijali imali jednu ili drugu grešku. Za inženjere još uvijek ostaje značajan izazov za konstruiranje vještački materijala nalik drvu. To je od velike važnosti jer su za uzgoj prirodnog drva potrebna desetljeća, a vrijeme i učinkovitost su jaki kriteriji kada se želi napraviti materijal sličan prirodnom drvu.
Bioinspirirano drvo
Istraživači sa Sveučilišta znanosti i tehnologije Kine osmislili su novu strategiju za proizvodnju bioinspiriranih umjetnih polimera drvo u velikim razmjerima. Ovaj umjetni materijal ima staničnu mikrostrukturu nalik drvu, dobru upravljivost u mikrostrukturama i pokazao bi svojstva poput lakoće i visoke čvrstoće analogne mehaničkim svojstvima prirodnog drva. Istraživači navode da je ovaj novi materijal jak koliko i prirodno drvo za razliku od bilo kojeg drugog izrađenog drva istraženog do danas.
Drvo pronađeno u prirodi sadrži prirodni polimer zvan lignin koji je odgovoran za čvrstoću drveta. Lignin veže male kristalite celuloze zajedno u strukturu nalik mrežici kako bi se stvorila visoka čvrstoća. Istraživači su razmišljali o repliciranju lignina korištenjem sintetičkog polimera zvanog resol koji ima slična svojstva. Uspješno su pretvorili tradicionalno dostupne rezole (fenolnu smolu i melaminsku smolu). umjetno drvo poput materijala. Pretvorba je postignuta prvo korištenjem samosastavljajućih svojstava polimernog rezola, a zatim podvrgavanjem mokuringu. Za postizanje samosastavljanja, tekuće termostatske smole su jednosmjerno smrznute, a zatim stvrdnute (poprečno povezane ili polimerizirane) na temperaturama ne većim od 200 stupnjeva Celzija. Proizvedeno izrađeno drvo ima strukturu nalik na ćeliju koja je vrlo nalik prirodnom drvu. Nakon toga, termopolimeriziranje – proces koji se sastoji od kemijske promjene izazvane temperaturom (ovdje polimerizacija) u rezolu – izvedeno je za proizvodnju umjetnog polimernog drva. Veličina pora i debljina stijenke takvog materijala može se ručno kontrolirati. I ne samo to, kristaliti koje resol stvara također se mogu mijenjati ovisno o zahtjevima vrste drva. Boja se također može promijeniti dodavanjem ili zamjenom kristalita koji drže rezol zajedno. Kada se ovo izrađeno drvo komprimira, pokazuje otpornost sličnu svom prirodnom paru. Pristup opisan u studiji također se može nazvati zelenim pristupom za pripremu umjetnog drva u kojem se može koristiti kompost od nanomaterijala poput celuloznih nanovlakna i grafenskog oksida.
Zanimljivo je da konstruirano umjetno drvo pokazuje bolju otpornost na koroziju na vodu i kiselinu u usporedbi s prirodnim drvom, uz pretpostavku da nema smanjenja njegovih mehaničkih svojstava. To znači da umjetno drvo može odoljeti ekstremnim vremenskim prilikama i da bi bilo poboljšano u pružanju zaštite. Također pokazuje bolju toplinsku izolaciju i poboljšanu otpornost na vatru i ne bi se lako zapalio kao prirodno drvo uglavnom zato što je resol otporan na vatru. To može biti blagodat za sektore kao što su proizvodnja i izgradnja, posebno stambene zgrade koje se zapale kada se grade od prirodnog drva. Materijal je idealno prikladan za teška i oštra okruženja jer je prilično poboljšan u usporedbi s prirodnim drvom. Jedinstven je u usporedbi sa standardnim inženjerskim materijalima poput stanične keramike i aerogela s obzirom na čvrstoću i svojstva toplinske izolacije. Također je učinkovitiji od većine kompozita plastika-drvo zbog svoje veće čvrstoće. Konstruirano drvo ima dosta svojstava koja ga čine učinkovitijim.
Nova strategija opisana u ovoj studiji objavljenoj u Znanost Napredak pruža nove puteve za proizvodnju i inženjering raznolikosti biomimetičkih inženjerskih kompozitnih materijala visokih performansi koji će imati značajnu prednost u odnosu na svoje tradicionalne kolege. Takvi novi materijali mogu imati široku primjenu u mnogim područjima.
***
{Izvorni istraživački rad možete pročitati klikom na vezu DOI koja se nalazi u nastavku na popisu citiranih izvora}
Izvor (i)
Zhi-Long Y i dr. 2018 Bioinspirirano polimerno drvo. Znanost Napredak. 4 (8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
***
