Գիտնականները արհեստական փայտ են պատրաստել սինթետիկ խեժերից, որոնք բնական փայտը նմանակելով՝ բարելավված հատկություններ են ցուցաբերում բազմաֆունկցիոնալ օգտագործման համար։
Փայտը ան օրգանական մանրաթելային հյուսվածք, որը հայտնաբերվել է ծառերի, թփերի և թփերի մեջ: Փայտը կարելի է անվանել ամենաօգտակար և միգուցե ամենաբազմակողմանի նյութը մոլորակ Երկիր. Այն օգտագործվել է հազարավոր տարիներ մի քանի նպատակների համար և մեծապես աչքի է ընկնում իր ցածր խտությամբ և բարձր ամրությամբ: Փայտի յուրահատուկ անիզոտրոպ բջջային կառուցվածքը (այսինքն՝ տարբեր հատկություններ տարբեր ուղղություններով) տալիս է նրան զարմանալի մեխանիկական հատկություններ, ինչպես նաև այն դարձնում է ամուր, կոշտ, բայց դեռ թեթև և ճկուն: Փայտն ունի բարձր սեղմման ուժ և ցածր առաձգական ուժ: Փայտը շրջակա միջավայրին և ծախսերին հարմար է, գերամուր, դիմացկուն և երկարակյաց է և կարող է օգտագործվել ամեն ինչ կառուցելու համար՝ թղթից մինչև տներ կառուցելու համար:
Բնությունն արդեն մեզ տվել է փայտի նման զարմանալի նյութեր: Այնուամենայնիվ, միշտ ոգեշնչում է պտտվում բնության շուրջ, որպեսզի մենք նախագծենք և զարգացնենք բարձր արդյունավետությամբ բիոմիմետիկ ինժեներական նյութեր, որոնք կարող են «կրկնօրինակել» բնության մեջ արդեն հայտնաբերված կենսանյութերի զարմանալի հատկությունները: Փայտի յուրահատկությունը պայմանավորված է նրա անիզոտրոպ բջջային կառուցվածքով, ցածր խտությամբ և բարձր ամրությամբ: Ոչ վաղ անցյալում գիտնականները փորձել են նախագծել նյութեր՝ հաշվի առնելով այս հայեցակարգը՝ փորձելով կրկնօրինակել փայտի հատկությունները, ինչպիսիք են բարձր ամրությունը և թեթևությունը: Այնուամենայնիվ, հետազոտության մեծ մասը հանգեցրել է անբավարար արդյունքների, քանի որ նախագծված նյութերը տուժել են այս կամ այն թերությունից: Այն դեռևս մնում է էական մարտահրավեր ինժեներների համար կառուցելը արհեստական փայտի նմանվող նյութեր. Սա շատ կարևոր է, քանի որ բնական փայտ աճեցնելու համար տասնամյակներ են պահանջվում, և ժամանակն ու արդյունավետությունը ուժեղ չափանիշ են բնական փայտին նման նյութ պատրաստելիս:
Բիոներշնչված փայտ
Չինաստանի Գիտության և տեխնոլոգիայի համալսարանի գիտնականները նոր ռազմավարություն են մշակել բիոներշնչված արհեստական պոլիմերների արտադրության համար։ փայտ մեծ մասշտաբով։ Այս արհեստական նյութն ունի փայտի նման բջջային միկրոկառուցվածք, լավ կառավարելիություն միկրոկառուցվածքներում և ցույց կտա այնպիսի հատկություններ, ինչպիսիք են թեթևությունը և բարձր ամրությունը, որոնք նման են բնական փայտի մեխանիկական հատկություններին: Հետազոտողները նշում են, որ այս նոր նյութը նույնքան ամուր է, որքան բնական փայտը, ի տարբերություն մինչ օրս ուսումնասիրված ցանկացած այլ ինժեներական փայտի:
Բնության մեջ հայտնաբերված փայտը պարունակում է բնական պոլիմեր, որը կոչվում է լիգնին, որը պատասխանատու է փայտը ամուր դարձնելու համար: Լիգնինը միացնում է ցելյուլոզայի փոքր բյուրեղները ցանցանման կառուցվածքով՝ բարձր ամրություն ստեղծելու համար: Հետազոտողները մտածել են լիգնինի կրկնօրինակման մասին՝ օգտագործելով ռեզոլ կոչվող սինթետիկ պոլիմեր, որն ունի նմանատիպ հատկություններ: Նրանք հաջողությամբ փոխակերպեցին ավանդաբար մատչելի ռեզոլները (ֆենոլային խեժ և մելամինային խեժ) մեջ արհեստական փայտ նյութի նման: Փոխակերպումը ձեռք է բերվել սկզբում օգտագործելով պոլիմերային ռեզոլի ինքնահավաքման հատկությունները, այնուհետև անցնելով մոքրինգ: Ինքնակազմակերպման հասնելու համար հեղուկ թերմոստատի խեժերը սառեցվեցին միակողմանիորեն, այնուհետև չորացան (խաչաձև կամ պոլիմերացված) 200 աստիճան Ցելսիուսից ոչ ավելի ջերմաստիճանում: Արտադրված ինժեներական փայտը բջիջների նման կառուցվածք ունի, որը շատ նման է բնական փայտի կառուցվածքին: Այնուհետև, ջերմամշակումը, որը բաղկացած է ջերմաստիճանի հետևանքով առաջացած քիմիական փոփոխությունից (այստեղ՝ պոլիմերացում) ռեզոլում, իրականացվել է արհեստական պոլիմերային փայտանյութեր արտադրելու համար: Նման նյութի ծակոտիների չափը և պատի հաստությունը կարելի է ձեռքով կառավարել: Ոչ միայն դա, այլ բյուրեղները, որոնք պատրաստում է ռեզոլը, կարող են փոխվել նաև փայտի տեսակի պահանջներից ելնելով: Գույնը կարող է նաև փոփոխվել՝ ավելացնելով կամ փոխելով բյուրեղները, որոնք միասին պահում են լուծույթը: Երբ այս մշակված փայտը սեղմվում է, այն ցույց է տալիս դիմադրություն, որը նման է իր բնական նմանակին: Հետազոտության մեջ նկարագրված մոտեցումը կարող է նաև կոչվել որպես կանաչ մոտեցում՝ արհեստական անտառներ պատրաստելու համար, որտեղ կարող են օգտագործվել նանոնյութերի կոմպոստ, ինչպիսիք են ցելյուլոզային նանոմանրաթելերը և գրաֆենի օքսիդը:
Հետաքրքիր է, որ մշակված արհեստական փայտը ջրի և թթուների նկատմամբ ավելի լավ կոռոզիոն դիմադրություն է ցույց տալիս բնական փայտի համեմատ, մինչդեռ ենթադրում է, որ դրա մեխանիկական հատկությունների նվազում չկա: Սա նշանակում է, որ արհեստական փայտը կարող է դիմակայել էքստրեմալ եղանակային իրադարձություններին և կբարելավվի պաշտպանություն ապահովելու հարցում: Այն նաև ցույց է տալիս ավելի լավ ջերմամեկուսացում և բարելավված դիմադրություն կրակի նկատմամբ և հեշտությամբ չի բռնկվի, ինչպես բնական փայտն է անում, հիմնականում այն պատճառով, որ ռեզոլը հակահրդեհային է: Սա կարող է բարենպաստ լինել այնպիսի ոլորտների համար, ինչպիսիք են արտադրությունը և շինարարությունը, հատկապես այն բնակելի շենքերը, որոնք հրդեհվում են բնական փայտով կառուցվելիս: Նյութը իդեալականորեն հարմար է կոշտ և կոշտ միջավայրերի համար, քանի որ այն բավականին բարելավված է բնական փայտի համեմատությամբ: Այն եզակի է, երբ համեմատվում է ստանդարտ ինժեներական նյութերի հետ, ինչպիսիք են բջջային կերամիկաները և աերոգելները՝ ամրության և ջերմամեկուսիչ հատկությունների առումով: Այն նաև ավելի արդյունավետ է, քան պլաստմասսա-փայտի կոմպոզիտների մեծ մասը՝ շնորհիվ իր ավելի բարձր ամրության: Ինժեներական մշակված փայտն ունի բավականին առատ հատկություններ, որոնք այն ավելի արդյունավետ են դարձնում:
Նոր ռազմավարությունը, որը նկարագրված է այս ուսումնասիրության մեջ, որը հրապարակվել է Գիտություն Առաջընթաց ապահովում է նոր ուղիներ՝ ստեղծելու և մշակելու բարձր արդյունավետությամբ բիոմիմետիկ ինժեներական կոմպոզիտային նյութեր, որոնք զգալի առավելություն կունենան իրենց ավանդական գործընկերների նկատմամբ: Նման նոր նյութերը կարող են լայն կիրառություն ունենալ բազմաթիվ ոլորտներում:
***
{Դուք կարող եք կարդալ հետազոտական հոդվածի բնօրինակը` սեղմելով ներքևում նշված DOI հղումը` մեջբերված աղբյուրների ցանկում:}
Աղբյուրը (ներ)
Zhi-Long Y եւ ալ. 2018 Բիոներշնչված պոլիմերային փայտեր: Գիտություն Առաջընթաց. 4 (8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
***
