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.
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
Chen et al. / Matter, 2021
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.
