მეცნიერებმა ხელოვნური ხე შექმნეს სინთეზური ფისებისგან, რომელიც ბუნებრივი ხის მიბაძვისას ავლენს გაუმჯობესებულ თვისებებს მრავალფუნქციური გამოყენებისთვის.
ხე არის ორგანული ბოჭკოვანი ქსოვილი გვხვდება ხეებში, ბუჩქებში და ბუჩქებში. ხე შეიძლება ეწოდოს ყველაზე სასარგებლო და შესაძლოა ყველაზე მრავალმხრივ მასალას პლანეტის Დედამიწა. იგი გამოიყენებოდა ათასობით წლის განმავლობაში მრავალი მიზნისთვის და გამოირჩეოდა მაღალი სიმკვრივით და მაღალი სიმტკიცით. ხის უნიკალური ანიზოტროპული უჯრედული სტრუქტურა (ანუ განსხვავებული თვისებები სხვადასხვა მიმართულებით) ანიჭებს მას საოცარ მექანიკურ თვისებებს, ასევე ხდის მას ძლიერ, ხისტ, მაგრამ მაინც მსუბუქი და მოქნილი. ხეს აქვს მაღალი კომპრესიული ძალა და დაბალი ჭიმვის სიმტკიცე. ხე არის გარემოსდაცვითი და ძვირადღირებული, სუპერ ძლიერი, გამძლე და გრძელვადიანი და შეიძლება გამოყენებულ იქნას ნებისმიერი რამის ასაშენებლად, ქაღალდის დამზადებიდან სახლების მშენებლობამდე.
ბუნებამ უკვე მოგვაწოდა საოცარი მასალები, როგორიცაა ხე. მიუხედავად ამისა, ყოველთვის არის შთაგონება, რომელიც ბრუნავს ბუნების ირგვლივ, რათა შევქმნათ და განვავითაროთ მაღალი ხარისხის ბიომიმეტური საინჟინრო მასალები, რომლებიც შეიძლება "მიბაძონ" ბუნებაში უკვე ნაპოვნი ბიომასალის გასაოცარ თვისებებს. ხის უნიკალურობა გამოწვეულია მისი ანიზოტროპული უჯრედული სტრუქტურით, დაბალი სიმკვრივით და მაღალი სიძლიერით. უახლეს წარსულში მეცნიერები ცდილობდნენ შეექმნათ მასალები ამ კონცეფციის გათვალისწინებით, რათა გაემეორებინათ ხის თვისებები, როგორიცაა მაღალი გამძლეობა და სიმსუბუქე. თუმცა, კვლევის უმეტესობამ გამოიწვია არადამაკმაყოფილებელი შედეგები, რადგან შემუშავებულ მასალებს განიცდიდნენ ერთი ან მეორე ხარვეზი. ინჟინრებისთვის ეს ჯერ კიდევ არსებით გამოწვევად რჩება ხელოვნური ხის მსგავსი მასალები. ეს ძალიან აქტუალურია, რადგან ბუნებრივი ხის მოშენებას ათწლეულები სჭირდება და დრო და ეფექტურობა ძლიერი კრიტერიუმია ბუნებრივი ხის მსგავსი მასალის დამზადებისას.
ბიოინსპირირებული ხე
ჩინეთის მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების უნივერსიტეტის მკვლევარებმა შეიმუშავეს ახალი სტრატეგია ბიოინსპირირებული ხელოვნური პოლიმერის წარმოებისთვის. ხე ფართომასშტაბიანი. ამ ხელოვნურ მასალას აქვს ხის მსგავსი ფიჭური მიკროსტრუქტურა, კარგი კონტროლირებადი მიკროსტრუქტურებში და აჩვენებს თვისებებს, როგორიცაა სიმსუბუქე და მაღალი სიმტკიცე ბუნებრივი ხის მექანიკური თვისებების ანალოგიურად. მკვლევარები აცხადებენ, რომ ეს ახალი მასალა ისეთივე ძლიერია, როგორც ბუნებრივი ხე, განსხვავებით ნებისმიერი სხვა ინჟინერიით გამოკვლეული ტყეებისგან.
ბუნებაში ნაპოვნი ხე შეიცავს ბუნებრივ პოლიმერს, რომელსაც ლიგნინი ეწოდება, რომელიც პასუხისმგებელია ხის ძლიერებაზე. ლიგნინი აკავშირებს ცელულოზის მცირე კრისტალიტებს ბადისებრი სტრუქტურით, რათა შექმნას მაღალი სიმტკიცე. მკვლევარებმა მოიფიქრეს ლიგნინის გამეორება სინთეზური პოლიმერის გამოყენებით, რომელსაც ეწოდება რეზოლი, რომელსაც აქვს მსგავსი თვისებები. მათ წარმატებით გადააკეთეს ტრადიციულად ხელმისაწვდომი რეზოლები (ფენოლური ფისი და მელამინის ფისი). ხელოვნური ხე მასალის მსგავსად. კონვერტაცია მიღწეული იქნა ჯერ პოლიმერული რეზოლის თვითშეკრების თვისებების გამოყენებით, შემდეგ კი დამუშავების გზით. თვითშეკრების მისაღწევად, თხევადი თერმოსტატის ფისები ცალმხრივად გაყინული იყო, შემდეგ გამაგრებული იყო (ჯვარედინად ან პოლიმერიზებული) არაუმეტეს 200 გრადუს ცელსიუს ტემპერატურაზე. წარმოებული ინჟინერიული ხე იღებს უჯრედისებრ სტრუქტურას, რომელიც ძალიან ჰგავს ბუნებრივ ხის სტრუქტურას. შემდგომში, თერმოკურირება - პროცესი, რომელიც შედგება ტემპერატურით გამოწვეული ქიმიური ცვლილებისგან (აქ პოლიმერიზაცია) რეზოლში - ჩატარდა ხელოვნური პოლიმერული მერქნის წარმოებისთვის. ასეთი მასალის ფორების ზომა და კედლის სისქე შეიძლება ხელით კონტროლდებოდეს. არა მხოლოდ ეს, კრისტალები, რომლებსაც რეზოლი ქმნის, ასევე შეიძლება შეიცვალოს ხის ტიპის მოთხოვნილების მიხედვით. ფერი ასევე შეიძლება შეიცვალოს კრისტალების დამატებით ან გადართვით, რომლებიც ინარჩუნებენ რეზოლუციას. როდესაც ეს ტექნოლოგიური ხის შეკუმშვა ხდება, ის ავლენს წინააღმდეგობას მისი ბუნებრივი ანალოგის მსგავსი. კვლევაში აღწერილ მიდგომას ასევე შეიძლება ეწოდოს მწვანე მიდგომა ხელოვნური მერქნის მოსამზადებლად, სადაც შეიძლება გამოყენებულ იქნას ნანომასალების კომპოსტი, როგორიცაა ცელულოზის ნანობოჭკოები და გრაფენის ოქსიდი.
საინტერესოა, რომ ინჟინერირებული ხელოვნური ხე ავლენს უკეთეს კოროზიის წინააღმდეგობას წყლისა და მჟავის მიმართ ბუნებრივ ხესთან შედარებით, მაგრამ არ ითვალისწინებს მისი მექანიკური თვისებების დაქვეითებას. ეს ნიშნავს, რომ ხელოვნურ ხეს შეუძლია გაუძლოს ექსტრემალურ ამინდს და გაუმჯობესდება დაცვის უზრუნველყოფის თვალსაზრისით. ის ასევე აჩვენებს უკეთეს თბოიზოლაციას და გაუმჯობესებულ წინააღმდეგობას ხანძრის მიმართ და ადვილად არ იკიდებს ცეცხლს, როგორც ამას ბუნებრივი ხე აკეთებს, ძირითადად იმის გამო, რომ რეზოლი ცეცხლგამძლეა. ეს შეიძლება იყოს სიკეთე ისეთი სექტორებისთვის, როგორიცაა წარმოება და მშენებლობა, განსაკუთრებით საცხოვრებელი კორპუსები, რომლებიც ხანძარს იკიდებენ ბუნებრივი ხის გამოყენებით აშენებისას. მასალა იდეალურად შეეფერება მკაცრი და მკაცრი გარემოსთვის, რადგან ის საკმაოდ გაუმჯობესებულია ბუნებრივ ხესთან შედარებით. იგი უნიკალურია სტანდარტული საინჟინრო მასალებთან შედარებით, როგორიცაა ფიჭური კერამიკა და აეროგელები, სიძლიერისა და თბოიზოლაციის თვისებებით. ის ასევე უფრო ეფექტურია, ვიდრე პლასტმასის ხის კომპოზიტების უმეტესობა მისი უფრო მაღალი სიმტკიცის გამო. ტექნოლოგიურ ხეს აქვს საკმაოდ ბევრი თვისებები, რაც მას უფრო ეფექტურს ხდის.
ახალი სტრატეგია აღწერილი ამ კვლევაში, რომელიც გამოქვეყნდა მეცნიერება ავანსები გთავაზობთ ახალ გზებს მაღალი ხარისხის ბიომიმეტური საინჟინრო კომპოზიტური მასალების დამზადებისა და ინჟინერიისთვის, რომლებსაც ექნებათ გარკვეული მნიშვნელოვანი უპირატესობა მათ ტრადიციულ კოლეგებთან შედარებით. ასეთ ახალ მასალებს შეიძლება ჰქონდეს ფართო გამოყენება მრავალ სფეროში.
***
{შეგიძლიათ წაიკითხოთ ორიგინალური კვლევითი ნაშრომი ციტირებულ წყარო(ებ)ის სიაში ქვემოთ მოცემულ DOI ბმულზე დაწკაპუნებით}
წყარო (ებ) ი
Zhi-Long Y at al. 2018 ბიოინსპირირებული პოლიმერული ხეები. მეცნიერება ავანსები. 4 (8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
***
