Wetenskaplikes het kunsmatige hout van sintetiese harse vervaardig wat, terwyl dit natuurlike hout naboots, verbeterde eienskappe vir multifunksionele gebruik toon.
Hout is 'n organiese veselagtige weefsel wat in bome, bosse en struike voorkom. Hout kan beskou word as die nuttigste en miskien die veelsydigste materiaal op planeet Aarde. Dit word al duisende jare vir verskeie doeleindes gebruik en word hoog aangeskryf vir sy lae digtheid en hoë sterkte. Die unieke anisotropiese sellulêre struktuur (d.w.s. verskillende eienskappe in verskillende rigtings) van hout gee dit ongelooflike meganiese eienskappe, wat dit sterk, styf, maar steeds lig en buigsaam maak. Hout het hoë druksterkte en lae treksterkte. Hout is omgewings- en kostevriendelik, supersterk, duursaam en langdurig en kan gebruik word vir die bou van enigiets, van die maak van papier tot die bou van huise.
Die natuur het ons reeds van wonderlike materiale soos hout voorsien. Tog is daar altyd 'n inspirasie rondom die natuur vir ons om hoëprestasie-biomimetiese ingenieursmateriale te ontwerp en te ontwikkel, materiale wat die wonderlike eienskappe van biomateriale wat reeds in die natuur gevind word, kan "naboots". Die uniekheid van hout kom van sy anisotropiese sellulêre struktuur, tesame met lae digtheid en hoë sterkte. In die onlangse verlede het wetenskaplikes probeer om materiale te ontwerp met inagneming van hierdie konsep in 'n poging om eienskappe van hout soos hoë sterkte en liggewig te dupliseer. Die meeste van die navorsing het egter tot onbevredigende resultate gelei, aangesien die ontwerpte materiale aan die een of ander fout gely het. Dit bly steeds 'n aansienlike uitdaging vir ingenieurs om kunsmatige houtagtige materiale te konstrueer. Dit is van groot belang omdat dit dekades neem om natuurlike hout te kweek en tyd en doeltreffendheid is 'n sterk kriterium wanneer daar gesoek word na 'n materiaal soortgelyk aan natuurlike hout.
Bio-geïnspireerde hout
Navorsers van die Universiteit van Wetenskap en Tegnologie van China het 'n nuwe strategie ontwerp vir die vervaardiging van bio-geïnspireerde kunsmatige polimeerhout op groot skaal. Hierdie kunsmatige materiaal het 'n houtagtige sellulêre mikrostruktuur, goeie beheerbaarheid in mikrostrukture en sal eienskappe soos liggewig en hoë sterkte demonstreer, analoog aan die meganiese eienskappe van natuurlike hout. Navorsers verklaar dat hierdie nuwe materiaal so sterk soos natuurlike hout is, anders as enige ander vervaardigde houtsoorte wat tot dusver nagevors is.
Hout wat in die natuur voorkom, bevat 'n natuurlike polimeer genaamd lignien, wat verantwoordelik is vir die sterkte van hout. Lignien bind klein kristalliete van sellulose saam in 'n gaasagtige struktuur om hoë sterkte te skep. Navorsers het gedink om lignien te repliseer deur 'n sintetiese polimeer genaamd resol te gebruik, wat soortgelyke eienskappe het. Hulle het tradisioneel beskikbare resols (fenolhars en melamienhars) suksesvol omgeskakel in kunsmatige houtagtige materiaal. Die omskakeling is bereik deur eers die self-samestellingseienskappe van die polimeerresol te gebruik en dan deur die uitharding te ondergaan. Om self-samestelling te bereik, is vloeibare termostaatharse unidireksioneel gevries en dan uitgehard (kruisgebind of gepolimeriseer) by temperature van hoogstens 200 grade Celsius. Die vervaardigde gemanipuleerde hout neem 'n selagtige struktuur aan wat baie ooreenstem met dié van natuurlike hout. Vervolgens is termo-uitharding – 'n proses wat bestaan uit temperatuur-geïnduseerde chemiese verandering (hier, polimerisasie) in resol – uitgevoer om kunsmatige polimeerhout te produseer. Die poriegrootte en wanddikte van so 'n materiaal kan met die hand beheer word. Nie net dit nie, die kristalliete wat resol maak, kan ook verander word na gelang van die vereistes van die tipe hout. Die kleur kan ook verander word deur die kristalliete wat resol bymekaar hou, by te voeg of te verander. Wanneer hierdie gemanipuleerde hout saamgepers word, toon dit weerstand soortgelyk aan sy natuurlike eweknie. Die benadering wat in die studie beskryf word, kan ook beskryf word as 'n groen benadering om kunsmatige hout voor te berei, waar kompos van nanomateriale soos sellulose-nanovesels en grafeenoksied gebruik kan word.
Interessant genoeg vertoon vervaardigde kunsmatige hout beter korrosiebestandheid teen water en suur in vergelyking met natuurlike hout, terwyl dit geen afname in sy meganiese eienskappe aanvaar nie. Dit beteken dat kunsmatige hout uiterste weersomstandighede kan weerstaan en verbeter sal word om beskerming te bied. Dit toon ook beter termiese isolasie en verbeterde weerstand teen brand en sal nie maklik vlamvat soos natuurlike hout nie, hoofsaaklik omdat resol brandvertragend is. Dit kan 'n seën wees vir sektore soos vervaardiging en konstruksie, veral residensiële geboue wat vlam vat wanneer dit met natuurlike hout gebou word. Die materiaal is ideaal vir taai en strawwe omgewings, aangesien dit nogal verbeter is in vergelyking met natuurlike hout. Dit is uniek in vergelyking met standaard ingenieursmateriale soos sellulêre keramiek en aerogels met betrekking tot sterkte en termiese isolasie eienskappe. Dit is ook meer effektief as die meeste plastiek-hout-komposiete as gevolg van sy hoër sterkte. Die vervaardigde hout het 'n hele magdom eienskappe wat dit meer doeltreffend maak.
Die nuwe strategie wat in hierdie studie beskryf word, wat in Science Advances gepubliseer is , bied nuwe geleenthede om 'n verskeidenheid hoëprestasie-biomimetiese ingenieurswese-saamgestelde materiale te vervaardig en te manipuleer, wat beduidende voordele bo hul tradisionele eweknieë sal hê. Sulke nuwe materiale kan breë toepassings in baie velde hê.
***
Bronne)
Zhi-Long Y et al. 2018 Biogeïnspireerde polimeriese hout. Wetenskap Voorskotte. 4 (8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
***
