home
user-header

                        
                        
Материаловеды сделали древесину в двадцать три раза тверже и изготовили из нее нож
Сур Бере
Pro аккаунт
27 октября 2021 г., 19:37 496

Американские материаловеды увеличили твердость древесины в двадцать три раза. Они обработали ее кипящим щелочным раствором, а затем сжали с помощью горячего пресса. Это позволило избавиться от мягкой фракции древесины (лигнина), заполнить пустоты и скрепить соседние целлюлозные волокна водородными связями. Нож из полученного материала не уступает стальным ножам, например, им можно с легкостью резать стейки. Результаты исследования опубликованы в журнале Matter.

Здесь и ниже изображения Chen et al. (Matter, 2021) 


 

Твердостью называют способность материала сопротивляться механическим деформациям. Твердые материалы нужны повсюду, от глубокого бурения до изготовления ножей, гвоздей и шурупов. Твердые материалы — сплавы и керамику — изготавливают при высокой температуре и давлении, что делает материалы дороже и увеличивает их углеродный след.

 

Американские материаловеды под руководством Тенга Ли (Teng Li) из Университета Мэриленда разработали твердый материал, который можно получать в мягких условиях из полностью возобновляемого сырья. За основу они взяли обычную древесину — природный композит, состоящий из прочных волокон полимера целлюлозы, скрепленных между собой более мягким полимером лигнином. Волокна целлюлозы в древесине расположены упорядоченно: все волокна вытянуты по направлению роста дерева, при этом мелкие волокна объединяются в более крупные структуры, создавая единый армирующий каркас. Это делает древесину прочной —  например, по удельной прочности она превосходит многие рукотворные материалы. В то же время твердость древесины невысока из-за присутствия мягкого лигнина. Есть у древесины и другие недостатки: по сравнению с рукотворными материалами она более неоднородна, имеет полости и другие дефекты, а под действием воды постепенно набухает и разрушается. Чтобы превратить древесину в твердый материал Ли и его коллеги последовательно провели три процедуры.

 

Ученые работали с недорогой и распространенной древесиной липы. Сначала материал резали на пластинки размером 100 x 50 x 25 миллиметров, погружали в раствор гидроксида натрия (NaOH) и сульфита натрия (Na2SO3) и кипятили при температуре 100 градусов Цельсия. На этом этапе происходит частичное растворение лигнина и гемицеллюлозы. В поисках идеального состава материала, авторы меняли время обработки и приготовили три разных партии образцов, которые кипятили два, четыре и шесть часов.

 

Схема получения материала и фотографии готовых изделий  

 

После кипячения образцы промывали от остатков щелочи, сжимали с помощью горячего пресса (20 МПа) перпендикулярно целлюлозным волокнам в течение шести часов, а затем выдерживали при температуре 105 градусов Цельсия до полного испарения жидкости. После первой стадии древесина становится даже более мягкой и рыхлой, чем до обработки, но после горячего пресса она уплотняется и твердеет. Наконец, готовые образцы и изделия погружали в минеральное масло на сорок восемь часов. Это позволяет сделать поверхность материала гидрофобной и в дальнейшем предохранить его от набухания.

 

Твердость сравнивали с помощью метода Бринелля — в материал вдавливали твердый интендер при фиксирванном давлении и измеряли размеры полученной вмятины. Самым твердым оказался образец, который кипятили в щелочном растворе четыре часа — по сравнению с необработанной древесиной его твердость увеличилась в двадцать три раза. По всей видимости, за четыре часа удается достичь максимального растворения лигнина с сохранением целлюлозного каркаса. При меньшем времени обработки в материале остается слишком много лигнина, а при большем начинается частичное растворение целлюлозного каркаса.

 

Микрофотографии образцов древесины: A) до обработки, сечение перпендикулярно волокнам, В) До обработки, сечение вдоль волокон, С) после обработки, сечение перпендикулярно волокнам, D) после обработки, сечение вдоль волокон.  

 

Главная причина такого впечатляющего улучшения твердости — уплотнение материала и заполнение внутренних пустот, которое, в свою очередь, приводит к образованию дополнительных водородных связей между соседними волокнами целлюлозы.

Чтобы продемонстрировать возможности нового материала на практике, ученые изготовили из него столовые ножи. Оказалось, что ножи не уступают традиционным стальным и вполне годятся для разрезания стейков. Более того, для разрезания тестового образца деревянным ножом требуется вдвое меньшая сила, чем для разрезания такого же образца стальным ножом.

 

Благодаря гидрофобному покрытию все ножи выдерживают многократное мытье, как в проточной воде, так и в посудомоечной машине. А еще из нового материала можно сделать гвозди, которые по механическим характеристикам не уступают стальным гвоздям такого же размера и не ржавеют в условиях высокой влажности. Таким образом, новый материал вполне может стать дешевой и экологичной заменой стали, по крайней мере для бытового применения.

 

Разработкой новых функциональных материалов на основе древесины занимаются и другие научные группы. Весной мы писали об исследованиях Инго Бюргерта из Швейцарии, который превратил древесину в пьезоэлектрический материал, заселив ее грибами, которые мягко растворили лигнин и гемицеллюлозу, сохранив форму целлюлозного каркаса. В результате увеличился модуль сжимаемости материала, а с ним и пьезоэлектрические свойства. А в конце прошлого года ученые из группы Бюргерта вместе с коллегами из Новой Зеландии изготовили из древесины светящийся материал. На этот раз ученые сами растворили лигнин, а затем заменили его на раствор люминесцентных квантовых точек.

 

N+1

#естественные_науки

Избранное
  • 30 октября 2021 г., 19:52
    кулумнуур   Пожаловаться

    Один немец жил в доме своих предков, дому более 200 лет. Хотел сделать ремонт в своем доме. Один поляк вызваЛся сделать ремонт. Однако когда дело дошло до потолочной балки из дуба поляк пригласил специалистов из известной компании Бош. Те сперва поработали несколько часов сломали инструменты. Извинились и сказали что на завтрашний день придут с инструментами с алмазным напылением. На второй день начали работу, однако даже алмазное напыление не помогло, из балки сыпались искры как от болгарки, чуть пожар было устроили. Потом ещё раз извинились и уехали потратив 2 дня, не заработав не одной дойч марки

    • Автор
      30 октября 2021 г., 21:18
      Сур Бере   Пожаловаться

      кулумнуур, про дома скопцов в Мархе тоже говорят примерно подобное: сдирали кору еще у растущей лиственницы и спиливали через год. За год древесина пропитывалась смолой и становилась такой крепкой, что от топоров искры летели.

      • 31 октября 2021 г., 07:45
        кулумнуур   Пожаловаться

        Сур Бере, обычно топорище от топора разбалтывалось после рубки, постоянно нужно было забивать клинья и т.д.

        Родственник подсказал что нужно потесать молодую берёзку с боков, чтобы она высохла будучи с зелёной листвой, тогда смола накапливается и вышеуказанная проблема исчезает

Чтобы оставить комментарий, вам нужно авторизоваться или зарегистрироваться
Читайте также

 

В историческом парке «Россия – Моя история» в очном формате прошла международная акция "Географический диктант". Главным организатором акции в Якутии выступило отделение Русского Географического общества в Республике Саха (Якутия) . Членами РГО в Якутии является практически каждый седьмой житель, и проведение в столицы Якутии географического диктанта всегда является долгожданным мероприятием. Поучаствовать в масштабной международной акции на базе музейного комплекса пришло 55 человек. еще 295 участников написали Диктант дистанционно на заочной площадке парка. Проход на территорию исторического парка осуществлялся строго по предъявлению сертификата о вакцинации от COVID-19, с соблюдением всех санитарно-эпидемиологических мер. Всего в Республике Саха (Якутия) было создано 338 специально подготовленных площадок для написания Географического диктанта. В Якутске – 88 специализированных площадок на базе общеобразовательных школ, музеев, библиотек, войсковых частей, высших и средних учебных заведений. Еще 253 площадки работали в 33 муниципальных районах и 2 городских округах. Таким образом площадки площадки приняли более шестнадцати тысяч участников. Особенностью центральной диктанта стала программа, в которую вошли встречи с интересными людьми и реконструкция боя «Битва за Москву», которую организовал клуб реконструкций ДОСААФ «Красный Восход». Одним из интересных людей, в географическом диктанте стал почетный полярник России, профессиональный спасатель, член русского географического общества Николай Находкин. Николай Александрович рассказал о своих экспедициях в Арктическую часть республики, которые получили признание на всероссийском уровне и получили премию Русского географического общества. Модератором диктанта выступил не менее известный человек в Якутии - журналист, телеведущий, пресс-секретарь главы города Якутска Алексей Соколов. Гости для разминки ответили на вопросы викторины и получили памятные призы, а затем приступили к написанию самого Географического диктанта. Многие участники отметили, что задания Диктанта оказались оригинальными и интересными. Вопросы построены так, чтобы у участника появился интерес открыть справочник и посмотреть правильный ответ. Отличие диктанта этого года заключается в том, что большинство вопросов были придуманы обычными людьми, которые победили в конкурсе "придумай вопрос географического диктанта". Участников также приятно удивило наличие вопросов, связанных с Якутией. Из 40 вопросов диктанта – 4 были о республике. Участниками площадки исторического парка стали студенты, школьники, ученые, государственные деятели и даже полярники. Во время мероприятия, с приветственным видеообращением выступил участник Географического диктанта с российской станции в Антарктиде. Возраст в этой акции не важен: самому младшему участнику площадки – было 13 лет, а самому старшему 73 года. Как только закончился диктант, все участники акции были приглашены на реконструкцию боя «Битву за Москву», организованную клубом реконструкций ДОСААФ «Красный Восход» при поддержки УФСИН России по Якутии и Исторического парка «Россия – Моя История». Реконструкторы и сотрудники исторического парка воссоздали эпизод битвы под Москвой, которая произошла в декабре 1941 года. Ценой героизма и подвига войнов Западного и Юго-Западного фронтов, наши солдаты перешли в контрнаступление 6-7 декабря и нанесли нацистам под Москвой сокрушительное поражение. В обороне Москвы участвовали тысячи посланцев из Якутии. Реконструкторы боя попытались воссоздать атмосферу того времени, учитывая сложность обмундирования. Как оказалось увлечение реконструкциями это не только мужское дело: в постановке участвовали и девушки. В постановке боя участвовало более 40 реконструкторов, среди них объединение реконструкторов Намского улуса. Достаточно точно было воспроизведено обмундирование армии противника. Основным костяком и организатором стал клуб реконструкторов «Красный Октябрь» который этим занимается не первый год. Реконструкция боя «Битву за Москву понравилась всем участникам географического диктанта и самое главное подрастающему поколению.

Включите премодерацию комментариев
Все комментарии к этому посту будут опубликованы только после вашего подтверждения. Подробнее о премодерации
Обратная связь