Nanotechnologia

Naukowcy uzyskali drewnianą gąbkę węglową

Naukowcy uzyskali drewnianą gąbkę węglową odporną na wielokrotne ściskanie i inne ekstremalne oddziaływania mechaniczne. Ich praca została opisana w czasopiśmie Chem (The Journal of Organic Chemistry).

Dzięki równowadze między miękkością i wytrzymałością, jaką wykazuje balsa, drewno to jest chętnie używanym materiałem. Ogorzałka wełnista (Ochroma pyramidale) znajduje zastosowanie zarówno do produkcji modeli samolotów, jak i pełnowymiarowych turbin wiatrowych. Naukowcy z Chin i USA odkryli kolejne możliwości wykorzystania balsy. Dokonali tego dzięki skopiowaniu jej naturalnej struktury i poddaniu jej fizycznej i chemicznej obróbce. W wyniku badań naukowcy uzyskali drewnianą gąbkę węglową odporną na wielokrotne ściskanie oraz inne ekstremalne oddziaływania mechaniczne.

„Nasze badania wskazują, że obróbka chemiczna i proces karbonizacji zmieniają trwałe i nieściśliwe drewno balsy w drewnianą gąbkę węglową podatną na sprężanie mechaniczne i wykazującą większą odporność na zmęczenie materiału oraz wrażliwość na reakcje elektryczne, niż większość ściśliwych materiałów zawierających węgiel. Ponieważ drewniana gąbka węglowa jest wytwarzana całkowicie z naturalnego drewna za pomocą prostej i opłacalnej metody, materiał jest odnawialny i trwały, w przeciwieństwie do popularnych nanorurek węglowych lub grafenu” – mówi Liangbing Hu, nanoinżynier i specjalista w zespole badań materiałowych ze School of Engineering im. A. Jamesa Clarka na University of Maryland.

Naukowy uzyskali „drewnianą gąbkę węglową”, która jest giętka i jednocześnie trwała, dzięki pospolitym substancjom chemicznym. Naruszyły one wytrzymałe włókna hemicelulozy i ligniny. Następnie drewno zostało podgrzane do temperatury 1000 ^oC, by zwęglić materiał organiczny. W efekcie regularne, prostokątne komórki miękiszowe typowe dla mikrostruktury balsy i innych rodzajów drewna zostały zastąpione pofalowanymi, splątanymi arkuszami węgla o łukowatym kształcie. Hu porównał tę nową strukturę do połączenia sprężyny z plastrem miodu.

Drewno poddane procesowi karbonizacji z pominięciem obróbki chemicznej kruszyło się pod jakimkolwiek większym naciskiem. Drewniana gąbka węglowa wytrzymała znaczne sprężanie mechaniczne, a trwałe deformacje powierzchni pojawiły się dopiero po 10 000 prób. Takie wyniki początkowo zaskoczyły grupę badawczą prowadzoną przez Tenga Li, mechanika inżyniera z University of Maryland, College Park oraz Jię Xiego, elektrotechnika z Huazhong University of Science and Technology w Chinach.

Po przeprowadzeniu dalszych testów mechanicznych i elektrycznych badacze mogli wykorzystać fragment gąbki w prototypie czujnika odkształcenia. Czujnik ten mógłby być noszony na palcu. Jego jakość pozwalałaby na wykorzystanie go w urządzeniach elektronicznych będących częścią ubrań sportowych lub w urządzeniach do monitorowania stanu zdrowia.

Naukowcy wierzą, że drewniana gąbka węglowa może zostać wykorzystana w urządzeniach do oczyszczania wody oraz w technologiach magazynowania i konwersji energii, np. w superkondensatorach i akumulatorach. „Różnorakie zastosowania gąbki udowadniają jak ważna jest strategia pozwalająca na odkrycie potencjału naturalnych materiałów, takich jak drewno, poprzez czerpanie inspiracji z innych naturalnie występujących struktur i źródeł” – mówi Hu.