Новые свойства старого материала

Аркадий Курамшин
Аркадий Курамшин

Первым материалом, который стал использоваться человечеством, было, конечно же, дерево. Орудия труда и охотничье снаряжение — палки-копалки, копья, луки и стрелы — делались из дерева, и далеко не всегда нашим предкам удавалось модернизировать эти «приборы» каменными наконечниками. Каменный век было бы справедливее назвать «деревянным веком», но время не пощадило деревянные изделия наших предков, оставив нам на память только камни.

Казалось бы, за десятки тысяч лет человечество должно было полностью установить все свойства древесины и не ждать от нее чего-то необычного. Однако и старый материал можно заставить открыться с неизвестной ранее стороны: группе Лянбина Ху из Мэрилендского университета удалось превратить древесину сначала в «пуленепробиваемый», а потом и в «несгораемый» материал. И того и другого удалось добиться с помощью различных типов химической обработки.

Во-первых, в феврале 2018 года исследователи сообщили, что им удалось создать уплотненную древесину, которая в десять раз прочнее обычной [1].

Сверхпрочную уплотненную древесину удалось получить с помощью двухстадийного процесса. На первом этапе проводилась варка — кипячение древесины в растворе, содержащем гидроксид и сульфит натрия. На этой стадии происходило частичное разрушение двух структурных компонентов древесины — лигнина и гемицеллюлозы. Обычно с помощью такой варки из древесных опилок или другого растительного сырья извлекают чистую целлюлозу, однако Ху с коллегами свою древесину не измельчали. После варки, на второй стадии вываренную древесину подвергали прессовке при температуре 100°C — это позволяло уплотнить материал и добиться регулярной ориентации нановолокон целлюлозы, соединенных друг с другом водородными связями. В результате обработки древесина теряла 80% от своей толщины, но полученный спрессованный материал оказался в десять раз прочнее древесины. По словам Ху, уплотненная древесина не только прочна как сталь, но легче ее в семь-восемь раз. Удельная прочность нового материала выше, чем почти у всех известных металлов и сплавов, включая легкие титановые сплавы.

Схема получения нового материала (а) и механические характеристики уплотненной древесины по сравнению с обычной древесиной и некоторыми другими конструкционными материалами. Илл. из [1]
Схема получения нового материала (а) и механические характеристики уплотненной древесины по сравнению с обычной древесиной и некоторыми другими конструкционными материалами. Илл. из [1]

Проверив новый материал на баллистическом испытательном стенде, исследователи показали, что пять слоев уплотненной древесины (толщина каждого слоя составляет 3 мм) не могут быть пробиты насквозь стальной пулей, кинетическая энергия которой эквивалентна энергии пистолетной пули. По словам исследователей, определенная опытным путем прочность нового материала не говорит о перспективе создания деревянной брони, но такие свойства позволят использовать уплотненную древесину для создания легких и прочных корпусов автомобилей, экологически чистых зданий и износостойкой мебели.

Во-вторых, дальнейшие исследования уплотненной древесины преподнесли Ху еще один приятный сюрприз. Он выяснил, что вышедшему из его лаборатории материалу без особой сложности можно придать и еще одно ценное для древесины свойство — огнестойкость, о чем было сообщено уже в марте 2019 года [2]. Оказалось, что при обжиге на поверхности сверхплотной древесины образуется защитный слой нагара, который делает материал огнестойким.

Огнестойкая древесина, наверное, мечта всех строителей деревянных домов на протяжении всей истории человечества: известно огромное количество случаев, когда города, в которых основные постройки были деревянными, быстро сгорали от случайной (или не очень) искры. В наше время известны способы химической обработки, которые позволяют сделать дерево огнестойким. Как правило, они сводятся к пропитке древесины хлорсодержащими замедлителями горения, что, во-первых, дорого, а во-вторых, многие из веществ, которые применяются как замедлители горения, могут быть токсичными для человека или опасными для окружающей среды. В ряде случаев пропитка древесины замедлителями горения приводит к тому, что прочность пропитанного материала значительно снижается.

Способ придания древесине огнестойкости, который обнаружил Ху, не только не требует токсичных и дорогих реагентов. Плотный защитный слой древесного угля, сформировавшийся на обожженной уплотненной древесине, не влияет на ее механические свойства.

Схематичное изображение образования самопроизвольно формирующегося огнезащитного слоя на поверхности уплотненной древесины. Илл. из [2]
Схематичное изображение образования самопроизвольно формирующегося огнезащитного слоя на поверхности уплотненной древесины. Илл. из [2]

Ху заявляет, что образование огнезащитной поверхности замедляет время возгорания уплотненной древесины в три раза. Более того, замедляется не только время возгорания нового материала — даже загоревшись, он теряет свою прочность гораздо медленнее, чем объятая огнем обычная древесина. Таким образом, при использовании материала, разработанного Ху, здания будут медленнее загораться и медленнее обрушаться, давая людям драгоценное время для безопасной эвакуации.

Эксперты по древесине и другим целлюлозосодержащим материалам в целом высоко оценивают работы химиков из Мэриленда, но при этом отмечают, что до применения новинки необходимо провести дополнительные исследования. Многих удивляет то, что древесина после удаления лигнина становится менее огнеопасной — лигнин наименее воспламеняемый компонент древесины, и повышение огнестойкости через делигнификацию едва ли можно назвать традиционным подходом к обработке древесины. Возможно, причиной повышения огнестойкости является уменьшения количества пор и увеличение плотности, но, по мнению некоторых, таких же результатов можно добиться от древесины с помощью более традиционных подходов.

Других специалистов интересует вопрос стоимости масштабного производства уплотненной древесины — не будет ли проще и дешевле использовать на практике не спрессованную древесину, а композитные материалы, технологии производства которых хорошо отработаны. Ху и его сторонники уверяют, что их метод не так уж дорог, поскольку разработанный подход к уплотнению можно применить к любой древесине, не обязательно дорогих и прочных сортов. В любом случае, глядя на результаты исследования, мы справедливо можем сказать, что даже такой привычный материал, как древесина, может приготовить химикам и материаловедам приятные сюрпризы.

Аркадий Курамшин, 
канд. хим. наук, доцент Химического института КФУ

1. Hu L. et al. Processing bulk natural wood into a high-performance structural material // Nature. 2018. V. 554. P. 224–228; DOI: 10.1038/nature25476

2. Hu L. et al. Dense, Self-Formed Char Layer Enables a Fire-Retardant Wood Structural Material // Adv. Funct. Mater. 2019, 1807444; DOI: 10.1002/adfm.201807444

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

 См. также:

  • Профессор Дэвид Льюис выступает с докладом о творческой деятельности В. В. Марковникова (Казань, Марковниковский конгресс). Фото автора30.07.2019 Правило Марковникова: история и современность На Международном Марковниковском конгрессе, который в июне 2019 года проходил в Москве и Казани, специалист по истории химии Дэвид Льюис заявил, что для химиков-органиков второй половины XIX века правило Марковникова имело не меньшее (а может, и большее) значение, чем теория строения органических соединений Александра Бутлерова. Это правило практически показывало возможность селективного получения одного из нескольких возможных изомеров.
  • A. Образующаяся при высыхании слизи улитки эпифрагма удерживает животное на неровной поверхности. B. Строение структурного звена полимера PHEMA. Илл. из [1]16.07.2019 Идея клея от улитки Создание состава, способного к сверхпрочной и при этом обратимой адгезии — задача непростая. Новый адгезивный материал, разработанный исследователями из Пенсильванского университета по образу и подобию слизи улитки, можно охарактеризовать как суперклей, который дает применяющим его право на ошибку. С помощью этого адгезивного материала можно не только прочно склеивать детали, но и, если вдруг возникла такая необходимость, изменить их положение друг относительно друга, разъединить, не разрушая ни детали, ни адгезив, а затем переклеить. Для нового материала цикл «склеивание – расклеивание» не приводит к уменьшению прочности связывания склеенных им деталей. Такую способность адгезива могут оценить многие, кому приходилось делать у себя дома ремонт своими силами […]
  • Модель кристаллической структуры β-F2 при температуре 48 К [2]23.04.2019 Эксперимент на грани взрыва: получены новые данные о структуре твердого фтора До ­последнего времени существовало лишь две экспериментальные работы, в которых описывается строение замороженного, кристаллического фтора. Причина такой несправедливости кроется в его высокой химической активности. В ходе экспериментов 1968 года из-за взаимодействия твердого фтора с медью произошло несколько взрывов. Это надолго отбили у исследователей желание работать с замерзшим фтором. Может возникнуть вопрос: зачем изучать кристаллическую структуру элемента, который в обычных условиях существует в виде газообразного […]
  • Джей Кислинг (heinzawards.net)12.03.2019 Генетически модифицированные дрожжи для производства каннабиноидов Исследователи из Университета Калифорнии (Беркли) внедрили в дрожжи гены посевной конопли (Cannabis sativa). В результате этой метаморфозы метаболизм микроорганизмов поменялся, и они получили способность вырабатывать каннабиноиды. Биохимики из Беркли, работающие под руководством Джея Кислинга (Jay Keasling), предложили новый способ наработки количеств каннабиноидов, достаточных для медицинских исследований. Они предположили, что возможен биосинтез этих веществ генетически модифицированными организмами, и создали дрожжи Saccharomyces cerevisiae…
Подписаться
Уведомление о
guest
1 Комментарий
Встроенные отзывы
Посмотреть все комментарии
Артем
Артем
1 год назад

«пуля с кинетической энергией, эквивалентной пистолетной»… это произведет революцию на рынке брони… особенно носимой — легкие деревянные доспехи! Ещё и не горят! Дуболомы Урфина-джюса будут в восторге!

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (2 оценок, среднее: 4,50 из 5)
Загрузка...
 
 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: