Микроволновая печь удвоила прочность бамбука

Химическая делигнификация и последующий микроволновый нагрев позволили увеличить предел прочности бамбука в два раза, а сопротивление ударам в три. При этом удельная прочность обработанного бамбука превосходит таковую у стали и многих пластиков, что делает его привлекательным «зеленым» аналогом. Статья опубликована в журнале ACS Nano.

Металл и пластик были самыми популярными универсальными конструкционными материалами в XX веке. В основном они производятся из невозобновляемых природных ресурсов, руды и нефти, которые распределены по миру неравномерно. Несмотря на то, что физическое истощение запасов руды и нефти является проблемой отдаленного будущего, инженеры пробуют найти им возобновляемую замену. Помимо использования биопластика, получаемого из растений можно попробовать улучшить свойства природных материалов, таких как, например, дерево.

Группа ученых во главе с Чаоджи Чен (Chaoji Chen) из Мэрилендского университета в Колледж-Парке придумала, как сделать из бамбука легкий и прочный строительный материал. Стебель бамбука, как и древесина, состоит из двух основных компонентов: целлюлозы, отвечающей за прочность на разрыв, и лигнина, придающего характерную древесную твердость. Сначала при помощи последовательного вымачивания в едком натре и сульфате натрия исследователи удалили лигнин, что смягчило клетки бамбука и сделало их более пористыми.

Затем делигнифицированные стебли в течение часа нагревали в микроволновой печи. За счет образовавшихся на первом этапе пор вода быстро покидала бамбук при нагреве, в результате чего он усушивался и превращался в плотный материал.

Нагрев микроволнами необходим, потому что в отличие от, например, воздушной сушки, он действует равномерно на всей глубине, и не приводит к растрескиванию.

В результате предел прочности обработанного бамбука стал 560 мегапаскалей, удельная вязкость (сопротивление ударам) 6,8 мегаджоулей на 1000 кубических сантиметров, а предел прочности при изгибе 248 мегапаскалей, что в два-три раза превосходит показатели натурального. Кроме того, его удельный вес один грамм на кубический сантиметр, за счет чего удельный предел прочности существенно превосходит дерево, многие виды пластиков и некоторые марки стали.

Изучение «зеленых» материалов является одним из приоритетов современной науки. Недавно из целлюлозы сделали оптоволокно, а кроссовки пошили из биопластика, который разлагается в ванне.

Василий Зайцев