Исследователи научились повышать прочность древесины с помощью варки деревянных брусков в щелочном растворе и прессования. После этой процедуры бруски становятся в пять раз тоньше и в 11,5 раз прочнее, сообщается в журнале Nature.

Далеко не все ученые-материаловеды разрабатывают новые материалы с нуля, синтезируя их искусственно. Некоторые предпочитают брать за основу уже существующие природные материалы и улучшать их характеристики различными способами. Нередко в качестве основы используется древесина — один из самых распространенных природных материалов. К примеру, в прошлом году ученые создали композитный аналог паутины, на 90 процентов состоящий из нановолокон целлюлозы, добытых из дерева.

Структура древесины после обработки. Jianwei Song et al. / Nature, 2018

Исследователи под руководством Лянбин Ху (Liangbing Hu) из Мэрилендского университета также взяли за основу древесину и разработали метод, повышающий ее прочность на порядок. Он состоит из двух основных этапов. Сначала деревянные бруски помещаются в кипящий раствор гидроксида и сульфита натрия и варятся семь часов. После этого их несколько раз промывают кипящей деионизированной водой и удаляют остатки раствора. Такая обработка оставляет в древесине почти все целлюлозные волокна, но удаляет большую часть окружающих их лигнина и гемицеллюлозы. За счет этого древесина становится более пористой и менее жесткой.

После этого древесные бруски прессуются при температуре 100 градусов Цельсия. Тесты исследователей на дубовых и липовых брусках показали, что при этом их толщина уменьшается в пять раз, а плотность в три раза, тогда как без удаления лигнина и гемицеллюлоз плотность уменьшается гораздо меньше.

Фотографии и микроструктуры древесины до и после обработки. Jianwei Song et al. / Nature, 2018

Помимо этого ученые протестировали механические свойства обработанного дерева. Выяснилось, что после обработки прочность липы возрастает в 11,5 раз с 52 до 587 мегапаскалей. Исследователи смогли упрочнить до похожих значений (608 мегапаскалей) дубовые бруски, но их прочность была изначально в два раза выше. Такая прочность сравнима со многими марками нержавеющей стали. Помимо этого, удельная прочность такой древесины оказалась заметно выше, чем у многих сплавов, к примеру, в 1,7 раз выше, чем у титанового сплава Ti-6Al-4V.

Ученые проанализировали структуру на сканирующем микроскопе и выяснили, что в отличие от спрессованной древесины, из которой не удалялись лигнин и гемицеллюлозы в обработанной древесине целлюлозные структуры при прессовании становятся гораздо ближе и переплетаются.

В 2016 году эта группа исследователей создала похожим образом другой материал на основе древесины. Вместо того, чтобы прессовать дерево после варки они залили ее эпоксидной смолой, которая удалила из полостей внутри древесины воздух и сделала ее прозрачной.

Автор: Григорий Копиев