Фізика
Фізика

Липовий ніж порізав стейк та обійшов у гостроті сталевий

Американські матеріалознавці загартували липу та підвищили їй у 23 рази міцність. Виготовлений з неї ніж обійшов у гостроті комерційний, а липові цвяхи мали не гірші характеристики за сталеві і пластикові. Такий ніж можна мити у посудомийній машині, а сам матеріал піддається переробці, але не корозії. Спосіб перетворити деревину на екологічну альтернативу пластику і сталі вчені описали у журналі Matter.

Bo Chen et al. / Matter, 2021

Bo Chen et al. / Matter, 2021

Що не так зі сталевими ножами і цвяхами?

Окрім нових способів переробки пластику, вчені шукають матеріали, здатні не відставати від нього за характеристиками, але при цьому бути екологічною і економічно вигідною альтернативою. Сьогодні пластиком наповнені ріки, океани, гори, ґрунти та навіть живі організми й повітря. Він міститься у тілах більшості морських хребетних та перетворився на частину раціону молодих австралійських черепах.

Втім, пластик є не єдиним матеріалом, який досі не вдається замінити чимось більш екологічним. Тверді матеріали на основі сплавів нікелю і титану, нітридів і карбідів металів і навіть алмази - основні сполучні і кріпильні матеріали, а також захисні покриття. Але для синтезу багатьох з них потрібні екстремальні умови наприклад, надвисокий тиск і висока температура, що вимагає величезних економічних витрат, витрат енергії, а також призводить до негативного впливу на навколишнє середовище. І створення екологічно безпечного і недорогого альтернативного твердого матеріалу, який не вимагає складних технологічних процесів, все ще залишається проблемою.

Інженери з університету Меріленда вирішили підійти до розв'язання задачі з розробки потенційно недорогого, стійкого і твердого матеріалу з боку з одного з найпоширеніших - деревини.

Як деревина може замінити сталь?

Деревина широко використовується як конструкційний матеріал вже протягом тисячоліть. Вона поновлювана і доступна, а її основний компонент - целюлоза - є найпоширенішим біополімером на Землі і володіє винятковими внутрішніми механічними властивостями. Наприклад, жорсткість целюлози становить до 150 гігапаскалів, а теоретична міцність на розрив - 1,6-7,7 гігапаскаля. У целюлози невисока щільність, що приносить їй питому міцність в 1,0-5,1 гігапаскаля - вище, ніж у більшості конструкційних матеріалів, у тому числі титанових сплавів. Її пропонують використовувати навіть в електроніці, бо нановолокна з целюлози мають не гірші механічні та оптичні властивості.

Матеріалознавці запропонували новий підхід до переробки деревини з метою підвищити їй твердість. А щоб продемонструвати потенційні можливості нового матеріалу, ним вирішили порізати стейк і використовувати як цвяхи. Так вчені позбавили деревину деяких її складових - лігніну і геміцелюлози. Вони заповнюють собою каркас целюлози. Для цього американську липу (Tilia americana) замочили в розчині на водній основі з гідроксидом і сульфітом натрію, які витіснили лігнін та геміцелюлозу з пор зразків. Потім дерево кип'ятили при 100 градусах Цельсія протягом двох, чотирьох і шести годин. Автори роботи підкреслюють, що та ж кераміка вимагає нагріву до тисячі градусів при обробці.

Липа стала м'якою і гнучкою, а для повного висихання, вчені стискали її близько шести годин під пресом в 20 мегапаскалей і температурі 105 градусів Цельсія. Отримані бруски протягом двох діб обробляли додатково оліями для водостійкості.

Де знадобилася така липа?

В результаті виявилося, що ті зразки, які вимочували протягом чотирьох годин, володіли кращою структурою, ніж ті, на які витратили шість годин. У них виявили набагато менше дефектів, зокрема і основних, від яких намагалися позбутися, - порожнечі, канали та пори, через які у деревині циркулює волога. Їх зменшення призвело до 23-кратного збільшення твердості цих оброблених липових брусків. Залежність твердості від часу хімічної обробки вчені пояснили двофазовим ефектом процесу делігніфікації: з одного боку, делігніфікація знижує жорсткість, забезпечуючи значне ущільнення (особливо поблизу поверхні) обробленої деревини, а з іншого боку, процес хімічної обробки неминуче викликає часткове розчинення молекул целюлози в деревині, тим самим послаблюючи механічні властивості одержуваного зразка.

З них вчені виготовили дерев'яний ніж і кілька дерев'яних цвяхів. І виявилося, що столовий ніж з такої обробленої липи можна виготовити швидше, ніж звичайний, а сам він буде в три рази гострішим. Ним дослідники не менш успішно порізали стейк. Липовий цвях також показав не гірші характеристики за сталевий цвях аналогічного розміру і при цьому він несприйнятливий до іржі - ключового механізму виходу з ладу сталевих цвяхів.

Bo Chen et al. / Matter, 2021

Bo Chen et al. / Matter, 2021

Деревина у руках матеріалознавців набуває найрізноманітніших властивостей. Так біопаста з відходів паперовго виробництва зробить 3D-друк екологічним, а целюлоза допомогла створити самовідновні живі матеріали. Аналог деревини вдалося виросити з клітин квітів майорців, що допоможе знизити вирубку лісів, а цитрусовий екстракт зробив деревину прозорою та повністю відновною. Також нещодавно вдалося подарувати деревині провідність і дали зібрати енергію від ходьби.