صنع العلماء خشبًا صناعيًا من الراتنجات الاصطناعية التي تظهر خصائص محسنة للاستخدام متعدد الوظائف أثناء تقليدها للخشب الطبيعي
الخشب هو عضوي الأنسجة الليفية الموجودة في الأشجار والشجيرات والشجيرات. يمكن تسمية الخشب بأنه المادة الأكثر فائدة وربما الأكثر تنوعًا كوكب أرض. لقد تم استخدامه منذ آلاف السنين لأغراض متعددة وهو مشهور جدًا بكثافته المنخفضة وقوته العالية. يمنح الهيكل الخلوي الفريد متباين الخواص (أي خصائص مختلفة في اتجاهات مختلفة) للخشب خصائص ميكانيكية مذهلة، كما يجعله قويًا وقاسيًا ولكنه لا يزال خفيفًا ومرنًا. يتمتع الخشب بقوة ضغط عالية وقوة شد منخفضة. الخشب صديق للبيئة وصديق للتكلفة، وقوي للغاية، ومتين، ويدوم طويلاً، ويمكن استخدامه في بناء أي شيء بدءًا من صناعة الورق وحتى بناء المنازل.
لقد زودتنا الطبيعة بالفعل بمواد مذهلة مثل الخشب. ومع ذلك ، هناك دائمًا إلهام يدور حول الطبيعة بالنسبة لنا لتصميم وتطوير مواد هندسية حيوية عالية الأداء ، تلك التي يمكن أن `` تحاكي '' الخصائص المذهلة للمواد الحيوية الموجودة بالفعل في الطبيعة. يأتي تفرد الخشب من هيكله الخلوي متباين الخواص إلى جانب الكثافة المنخفضة والقوة العالية. في الماضي القريب ، حاول العلماء تصميم مواد تأخذ في الاعتبار هذا المفهوم في محاولة لتكرار خصائص الخشب مثل القوة العالية وخفة الوزن. ومع ذلك ، فقد أدى معظم البحث إلى نتائج غير مرضية حيث أن المواد المصممة كانت تعاني من عيب واحد أو آخر. لا يزال يشكل تحديًا كبيرًا للمهندسين مصطنع مواد تشبه الخشب. هذا ذو أهمية كبيرة لأنه يستغرق عقودًا لتنمو الخشب الطبيعي والوقت والكفاءة معياران قويان عند البحث عن مادة مشابهة للخشب الطبيعي.
خشب مستوحى من الحيوية
ابتكر باحثون من جامعة العلوم والتكنولوجيا في الصين استراتيجية جديدة لتصنيع البوليمر الاصطناعي المستوحى من الأحياء. خشب على نطاق واسع. تحتوي هذه المادة الاصطناعية على بنية مجهرية خلوية تشبه الخشب ، وقدرة جيدة على التحكم في الهياكل المجهرية وستظهر خصائص مثل الوزن الخفيف والقوة العالية المماثلة للخصائص الميكانيكية للخشب الطبيعي. يذكر الباحثون أن هذه المادة الجديدة قوية مثل الخشب الطبيعي على عكس أي أخشاب هندسية أخرى تم البحث عنها حتى الآن.
يحتوي الخشب الموجود في الطبيعة على بوليمر طبيعي يسمى اللجنين وهو المسؤول عن جعل الخشب قويًا. يربط اللجنين بلورات صغيرة من السليلوز معًا في بنية تشبه الشبكة لخلق قوة عالية. فكر الباحثون في استنساخ اللجنين باستخدام بوليمر اصطناعي يسمى ريسول ، وله خصائص مماثلة. لقد نجحوا في تحويل المحسرات المتاحة تقليديا (راتينج الفينول وراتنج الميلامين) إلى خشب اصطناعي مثل المواد. تم تحقيق التحويل أولاً باستخدام خصائص التجميع الذاتي لمحلول البوليمر ثم الخضوع لعملية المعالجة. لتحقيق التجميع الذاتي ، تم تجميد راتنجات الثرموستات السائلة بشكل أحادي الاتجاه ، ثم معالجتها (متصالبة أو بلمرة) عند درجات حرارة لا تزيد عن 200 درجة مئوية. يتبنى الخشب المصمم هندسيًا هيكلًا يشبه الخلية يشبه إلى حد كبير هيكل الخشب الطبيعي. بعد ذلك ، تم إجراء المعالجة الحرارية - وهي عملية تتكون من تغير كيميائي ناتج عن درجة الحرارة (هنا ، البلمرة) بدقة - لإنتاج أخشاب بوليمرية صناعية. يمكن التحكم يدويًا في حجم المسام وسماكة الجدار لهذه المواد. ليس ذلك فحسب ، يمكن أيضًا تغيير البلورات التي تصنعها العزم بناءً على متطلبات نوع الخشب. يمكن أيضًا تغيير اللون عن طريق إضافة أو تبديل البلورات التي تتماسك معًا. عندما يتم ضغط هذا الخشب المصمم هندسيًا ، فإنه يُظهر مقاومة مماثلة لنظيره الطبيعي. يمكن أيضًا وصف النهج الموصوف في الدراسة بأنه نهج أخضر لإعداد الأخشاب الاصطناعية حيث يمكن استخدام سماد من المواد النانوية مثل ألياف السليلوز النانوية وأكسيد الجرافين.
ومن المثير للاهتمام ، أن الخشب الصناعي المصمم هندسيًا يعرض مقاومة أفضل للتآكل للماء والحمض مقارنة بالخشب الطبيعي مع افتراض عدم حدوث انخفاض في خواصه الميكانيكية. وهذا يعني أن الخشب الاصطناعي يمكنه مقاومة الظواهر الجوية القاسية ويمكن تحسينه في توفير الحماية. كما أنه يُظهر عزلًا حراريًا أفضل ومقاومة محسّنة للنار ولن تشتعل فيها النيران بسهولة كما يفعل الخشب الطبيعي بشكل أساسي لأن العزم مثبط للحريق. يمكن أن يكون هذا نعمة لقطاعات مثل التصنيع والتشييد وخاصة المباني السكنية التي تشتعل فيها النيران عند بنائها باستخدام الخشب الطبيعي. تعتبر المادة مناسبة بشكل مثالي للبيئات القاسية والقاسية حيث يتم تحسينها تمامًا عند مقارنتها بالخشب الطبيعي. إنه فريد من نوعه عند مقارنته بالمواد الهندسية القياسية مثل السيراميك الخلوي و aerogels فيما يتعلق بالقوة وخصائص العزل الحراري. كما أنه أكثر فاعلية من معظم مركبات الخشب والبلاستيك نظرًا لقوته العالية. يحتوي الخشب المصمم هندسيًا على العديد من الخصائص التي تجعله أكثر كفاءة.
نشرت الاستراتيجية الجديدة الموصوفة في هذه الدراسة في علم السلف يوفر طرقًا جديدة لتصنيع وهندسة مجموعة متنوعة من المواد المركبة عالية الأداء لهندسة المحاكاة الحيوية والتي سيكون لها بعض المزايا المهمة على نظيراتها التقليدية. يمكن أن يكون لمثل هذه المواد الجديدة تطبيقات واسعة في العديد من المجالات.
***
{يمكنك قراءة ورقة البحث الأصلية عن طريق النقر فوق ارتباط DOI الوارد أدناه في قائمة المصدر (المصادر) المذكورة}
المصدر (ق)
Zhi-Long Y at al. 2018 الأخشاب البوليمرية المستوحاة من الأحياء. علم السلف. 4 (8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
***
