Сжатую древесину превратили в инфракрасный радиатор

Американские ученые разработали метод создания прочного материала на основе древесины, который способен отражать практически все видимое излучение и отводить тепло с помощью излучения в инфракрасном диапазоне. В основе метода лежит удаление из древесины лигнина, одного из ее основных компонентов, и уплотнение путем прессования, рассказывают авторы статьи в Science.

Различные виды древесины имеют разный состав, но в целом их структура похожа. Упрощенно ее можно сравнить с железобетоном — в качестве бетонной основы в ней выступает лигнин, а вместо прочной стальной арматуры используются целлюлозные волокна. Кроме того, существенную часть древесины составляет гемицеллюлоза, выполняющая «сшивающую» функцию. Ученые-материаловеды достаточно давно используют эти особенности строения древесины для создания на ее основе искусственных материалов с похожим строением или для обработки настоящей древесины и придания ей нужных свойств, в том числе прочности.

Ученые под руководством Лянбина Ху (Liangbing Hu) из Мэрилендского университета в Колледж-Парке использовали часто применяемый метод механо-химического упрочнения древесины и помимо улучшенных механических свойств также придали ей способность пассивно отводить тепло. В основе использованного метода лежит удаление из древесины лигнина. Для этого ученые варили бруски древесины в 30-процентном водном растворе пероксида водорода, а затем промывали их дистиллированной водой. Сам по себе этот этап не делает древесину прочнее, поэтому после него бруски подвергали прессованию.

Благодаря прессованию площадь взаимодействия гидроксильных групп в целлюлозных волокнах возрастает, из-за чего прочность материала также повышается. Испытания обработанных таким образом брусков показали, что их предел прочности на растяжение составляет 404,3 мегапаскаля, что в 8,7 раза выше, чем у необработанного материала. А прочность при трехточечном изгибе составила 176 мегапаскалей, что в 3,4 раза выше прочности исходной древесины.

Однако самыми необычными оказались не механические, а оптические свойства материала. Благодаря неполной ориентированности целлюлозных волокон, материал отражает почти весь свет в видимом диапазоне спектра. Вместе с этим, он активно излучает в среднем инфракрасном диапазоне, который не поглощается атмосферой. Измерения ученых показали, что тепловой поток испускаемого такой древесиной излучения превышает тепловой поток от поглощаемого солнечного излучения, благодаря чему материал можно использовать для пассивного охлаждения.

Ученые собрали экспериментальную установку с бруском обработанной древесины, термопарами для измерения температуры и нагревателем, мощность которого была установлена равной мощности излучения древесины для простоты измерений. Измерения различными методами показали, что температура обработанной древесины ниже окружающей в среднем на четыре градуса днем и девять градусов ночью. Исследователи считают, что подобный материал можно использовать для покрытия крыш домов в жарких регионах.

Ранее удаление лигнина из древесины использовали для создания других необычных материалов. К примеру, в 2016 году группа Лянбина Ху создала прозрачную древесину, из которой сначала был удален лигнин, а затем в полости с воздухом была залита эпоксидная смола.

Григорий Копиев