Ученые разработали способ получения из древесины углеродного пористого материала, который можно сжимать на 80 процентов без разрушения и снижения механической прочности. Такого эффекта удалось добиться за счет удаления из древесины лигнина и гемицеллюлозы, что привело к формированию слоистой структуры вместо ячеистой, сообщают ученые в статье в Chem.

Процесс карбонизации древесины позволяет получать легкие углеродные материалы с пористой структурой и высокой электропроводностью. Основная проблема таких материалов — низкая механическая прочность. Из-за образования трещин они легко разрушаются даже при достаточно слабом сжатии. Однако, поскольку обычно такие материалы используются в качестве проводящих элементов в сенсорах и электронных устройствах, их механическая прочность — один из важных параметров, который определяет возможность их применения.

Ученые из США и Китая под руководством Лянбина Ху (Liangbing Hu) из Мэрилендского университета предложили для улучшения механических характеристик пористых углеродных материалов, получаемых из древесины, ввести в схему технологического процесса дополнительную стадию, во время которой из древесины сначала получают упругий пористый материал со слоистой структурой — «древесную губку». Этот процесс химики предложили проводить в две стадии, обрабатывая древесину сначала щелочным раствором сульфита натрия, который приводит к удалению из структуры лигнина, а потом — перекисью водорода, которая удаляет остатки лигнина, а также гемицеллюлозу — разветвленные полисахаридные молекулы молекулярной массой до 40 килодальтон.

Схема получения из древесины и сжатия пористых углеродных материалов: сверху — с помощью непосредственной карбонизации древесины, снизу — с помощью предложенной методики из «древесной губки». C. Chen et al./ Chem, 2018

В результате из изначально ячеистой структуры с прямоугольными в сечении каналами удаляются все вертикальные стенки и образуется слоистая система с каналами толщиной от 20 до 30 микрометров и толщиной стенок около 1 микрометра. Оказалось, что такой материал можно почти в два раза сжимать в направлении, перпендикулярном образующимся слоям.

Полученную древесную губку с помощью выскотемпературной обработки (около 1000 градусов Цельсия) можно карбонизировать, превратив ее в углеродную губку. В отличие от пористого углеродного материала, который получают с помощью непосредственной карбонизации древесины, углеродная губка (так же, как и древесная) обладает слоистой структурой, в которой отсутствуют вертикальные стенки. Это позволяет сжимать такой материал в направлении, перпендикулярном слоям, достигая деформаций в 80 процентов.

Последовательность стадий химической обработки древесины, во время которых из ее структуры удаляется лигнин и гемицеллюлоза и образуется слоистая структура «древесной губки». C. Chen et al./ Chem, 2018

Кроме того, такую углеродную губку можно свободно подвергать и циклическому воздействию, сжимая ее и растягивая обратно, так что при этом не теряются ее механические свойства. Так, после 10 тысяч циклов сжатия-растяжения (деформация при сжатии во время такой циклической обработки составляла 50 процентов) зависимость деформации от напряжения для материала не изменилась и он так же продолжал реагировать на сжатие и восстанавливать свою форму после снятия нагрузки.

Микроструктура пористых углеродных материалов: слева — полученного непосредственной карбонизацией древесины, справа — с помощью предложенной методики из «древесной губки». C. Chen et al./ Chem, 2018

Внешний вид пористых углеродных материалов до и после сжатия: сверху — полученного непосредственной карбонизацией древесины, снизу — с помощью предложенной методики из «древесной губки». C. Chen et al./ Chem, 2018

Смоделировав такую систему численно с помощью метода конечных элементов, ученые показали, что ее механические свойства связаны с тем, что при деформации материала не происходит растяжения и сжатия отдельных углеродных слоев. Чтобы обеспечить необходимую амплитуду деформации, изначально искривленные слои достаточно только распрямлять или изгибать.

По словам исследователей, благодаря своим механическим свойствам подобные углеродные материалы можно будет применять в гибкой электронике, аккумуляторах или в качестве подложек для катализаторов. Кроме того, из-за того, что проводимость углеродных губок зависит от их деформации, их также можно будет использовать в качестве механических сенсоров.

Из-за дешевизны природного сырья его достаточно часто предлагают использовать для получения функциональных пористых материалов, при этом природные источники углерода не ограничиваются только древесиной. Например, китайские исследователи предложили получать углеродные электроды для ионисторов из опавших листьев. А другая группа ученых синтезировала из помидоров флуоресцентные углеродные наночастицы.

Автор: *Александр Дубов**