Материалы следующего поколения могут прийти из дерева
Исследователи разрабатывают материал на основе древесины, комбинируя графит с наноцеллюлозой. Он прочнее и в 6 раз легче нержавеющей стали. Это может быть зеленой альтернативой для строительства легких бронежилетов, транспортных средств и самолетов.
Материалы составляют современный мир вокруг нас, от передового углеродного волокна и керамики в высокопроизводительных транспортных средствах до бетона в зданиях и мостах, и даже до наночастиц в самоочищающихся кирпичах.
В последние десятилетия исследования материалов изменили то, как мы проектируем, строим и используем новые продукты. Но для формирования будущего необходимы новые открытия в области материаловедения и инженерии.
Теперь исследователи из Университета Мэриленда, Университета Райса, Калифорнийского университета Мерсед, показали, что материалы следующего поколения не должны быть такими экзотическими, как топологические метаматериалы и изоляторы.
Они создали «удивительный» материал, объединив графит с наноцеллюлозой - легким твердым веществом, извлеченным из растительного вещества, которое содержит наноразмерные целлюлозные фибриллы. Удивительно, но его свойства материала превосходят известные конструкционные материалы, такие как стали, титановые сплавы и углеродные волокна.
Почему древесная наноцеллюлоза?
Прочность конструкционных материалов обусловлена их первичными химическими связями между атомами: ионными связями в керамике, ковалентными связями в углеродных волокнах и металлическими связями в металлических сплавах.
Эти прочные связи имеют как преимущества, так и недостатки. Они в основном используются для создания высокопрочных компонентов, которые служат несколько десятилетий. Однако, чтобы утилизировать эти материалы, их связи должны быть искажены и преобразованы. Этот процесс потребляет огромное количество энергии, что приводит к значительному воздействию на окружающую среду и значительным затратам.
Новый материал, с другой стороны, использует вторичные химические связи, такие как водородные связи. Они богаты органическими веществами, такими как наноцеллюлоза. Наноцеллюлоза, использованная в этом исследовании, состоит из целлюлозных волокон длиной несколько микрометров и шириной 5-20 нанометров.
Древесные материалы обладают исключительными свойствами: они биосовместимы, биоразлагаемы и пригодны для вторичной переработки. Теперь исследования доказали, что эти материалы также могут демонстрировать превосходные характеристики по сравнению с обычными материалами.
В то время как сеть водородных связей делает материалы невероятно прочными, отдельная водородная связь может образовываться или искажаться с использованием гораздо меньшего количества энергии, чем у первичной химической связи.
Создание прочного древесного материала
Исследователи использовали водородные связи для «склеивания» наноцеллюлозы с графитом. Они приготовили полужидкую смесь наноцеллюлозных и графитовых хлопьев при комнатной температуре для получения графит-наноцеллюлозного композита.
Смесь после этого была отлита-напечатана в гибкий слой. Каждый слой имеет толщину 20 микрометров и около метра в длину. И есть возможность горячего прессования нескольких слоев в более толстые листы.
Полученный материал прочнее и в 6 раз легче нержавеющей стали. Фактически, его удельная прочность выше, чем у материалов, используемых в конструкционных применениях, таких как титан и алюминиевые сплавы. Это может быть зеленой альтернативой для строительства легких бронежилетов, транспортных средств и самолетов.
Источник: