Forskare har tillverkat konstgjort trä av syntetiska hartser som samtidigt som det efterliknar naturligt trä uppvisar förbättrade egenskaper för multifunktionell användning
Trä är en ekologisk fibrous tissue found in trees, bushes and shrubs. Wood can be called as the most useful and maybe the most versatile material on planet Earth. It has been used for thousands of years for multiple purposes and is highly remarked for its low density and high strength. The unique anisotropic cellular structure (i.e. different properties in different directions) of wood grants it amazing mechanical properties as well making it strong, stiff but still light and flexible. Wood has high compressive strength and low tensile strength. Wood is environment and cost friendly, super strong, durable and long-lasting and can be used for building just anything from making paper to building houses.
Naturen har redan försett oss med fantastiska material som trä. Ändå finns det alltid en inspiration som kretsar kring naturen för oss att designa och utveckla högpresterande biomimetiska ingenjörsmaterial, sådana som kan "härma" de fantastiska egenskaperna hos biomaterial som redan finns i naturen. Det unika med trä kommer från dess anisotropa cellstruktur tillsammans med låg densitet och höga hållfasthet. På senare tid har forskare försökt designa material med tanke på detta koncept i ett försök att duplicera egenskaper hos trä som hög hållfasthet och lättvikt. Det mesta av forskningen har dock lett till otillfredsställande resultat eftersom de designade materialen led av den ena eller den andra bristen. Det är fortfarande en stor utmaning för ingenjörer att bygga konstgjord träliknande material. Detta är av hög relevans eftersom det tar årtionden att odla naturligt trä och tid och effektivitet är ett starkt kriterium när man vill göra ett material som liknar naturligt trä.
Bioinspirerat trä
Forskare från University of Science and Technology i Kina har tagit fram en ny strategi för tillverkning av bioinspirerade konstgjorda polymerer trä på en stor skala. Detta konstgjorda material har träliknande cellulär mikrostruktur, god kontrollerbarhet i mikrostrukturer och skulle visa egenskaper som lättvikt och hög hållfasthet analogt med de mekaniska egenskaperna hos naturligt trä. Forskare konstaterar att detta nya material är lika starkt som naturligt trä till skillnad från alla andra konstruerade träslag som forskats fram till idag.
Trä som finns i naturen innehåller en naturlig polymer som kallas lignin som är ansvarig för att göra träet starkt. Lignin binder samman små kristalliter av cellulosa i en nätliknande struktur för att skapa hög styrka. Forskare tänkte replikera lignin genom att använda en syntetisk polymer som kallas resol som har liknande egenskaper. De omvandlade framgångsrikt traditionellt tillgängliga resoler (fenolharts och melaminharts) till konstgjort trä som material. Omvandlingen uppnåddes genom att först använda självmonterande egenskaper hos polymerresolen och sedan genomgå en härdning. För att uppnå självmontering frystes flytande termostathartser enkelriktat och härdades sedan (tvärbinds eller polymeriserades) vid temperaturer som inte översteg 200 grader Celsius. Det konstruerade träet som produceras antar en cellliknande struktur som liknar naturligt trä. Därefter genomfördes termohärdning – en process som består av temperaturinducerad kemisk förändring (här polymerisation) i resol – för att producera konstgjorda polymera träslag. Porstorleken och väggtjockleken hos ett sådant material kan styras manuellt. Inte bara det, de kristalliter som resol gör kan också ändras baserat på kravet på träslaget. Färgen kan också ändras genom att lägga till eller byta kristalliter som håller ihop resol. När detta konstruerade trä komprimeras, uppvisar det motstånd som liknar sin naturliga motsvarighet. Tillvägagångssättet som beskrivs i studien kan också betecknas som ett grönt tillvägagångssätt för att förbereda konstgjorda träslag där kompost av nanomaterial som cellulosa nanofibrer och grafenoxid kan användas.
Intressant nog uppvisar konstruerat konstgjort trä bättre korrosionsbeständighet mot vatten och syra jämfört med naturligt trä samtidigt som det inte antas att dess mekaniska egenskaper försämras. Detta innebär att konstgjordt trä kan stå emot extrema väderhändelser och skulle bli bättre på att ge skydd. Den visar också bättre värmeisolering och förbättrad motståndskraft mot brand och skulle inte fatta eld lätt som naturligt trä gör, främst eftersom resol är brandhämmande. Detta kan vara en välsignelse för sektorer som tillverkning och konstruktion, särskilt bostadshus som tar eld när de byggs med naturligt trä. Materialet är idealiskt för tuffa och tuffa miljöer eftersom det är ganska förbättrat jämfört med naturligt trä. Det är unikt jämfört med standardtekniska material som cellkeramik och aerogeler med avseende på styrka och värmeisoleringsegenskaper. Det är också mer effektivt än de flesta plast-träkompositer på grund av sin högre hållfasthet. Det konstruerade träet har en hel mängd egenskaper som gör det mer effektivt.
Den nya strategin som beskrivs i denna studie publicerad i Vetenskap Förskott ger nya vägar för att tillverka och konstruera en mängd högpresterande biomimetiska kompositmaterial som kommer att ha några betydande fördelar jämfört med sina traditionella motsvarigheter. Sådana nya material kan ha breda tillämpningar inom många områden.
***
{Du kan läsa den ursprungliga forskningsartikeln genom att klicka på DOI-länken nedan i listan över citerade källor}
Källa (er)
Zhi-Long Y et al. 2018 Bioinspirerade polymera träslag. Vetenskap Förskott. 4 (8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
***
