Вчені розробили спосіб отримання з деревини вуглецевого пористого матеріалу, який можна стискати на 80 відсотків без руйнування і зниження механічної міцності. Такого ефекту вдалося домогтися за рахунок видалення з деревини лігніна і геміцеллюлози, що призвело до формування шарколистої структури замість осередку, повідомляють вчені в статті в.
Процес карбонізації деревини дозволяє отримувати легкі вуглецеві матеріали з пористою структурою і високою електропровідністю. Основна проблема таких матеріалів - низька механічна міцність. Через утворення тріщин вони легко руйнуються навіть при досить слабкому стисненні. Однак, оскільки зазвичай такі матеріали використовуються в якості провідних елементів в сенсорах і електронних пристроях, їх механічна міцність - один з важливих параметрів, який визначає можливість їх застосування.
Вчені з США і Китаю під керівництвом Лянбіна Ху (Liangbing Hu) з Мерілендського університету запропонували для поліпшення механічних характеристик пористих вуглецевих матеріалів, одержуваних з деревини, ввести в схему технологічного процесу додаткову стадію, під час якої з деревини спочатку отримують пружний пористий матеріал зі слоїстою структурою - «деревну губку». Цей процес хіміки запропонували проводити в дві стадії, обробляючи деревину спочатку лужним розчином сульфіту натрію, який призводить до видалення зі структури лігнину, а потім - перекисом водню, яка видаляє залишки лігнину, а також геміцелюлозу - розгалужені полісахаридні молекули молекулярною масою до 40 кілодальтон.
У результаті з спочатку коміристої структури з прямокутними в перетині каналами видаляються всі вертикальні стінки і утворюється шаровиста система з каналами товщиною від 20 до 30 мікрометрів і товщиною стінок близько 1 мікрометра. Виявилося, що такий матеріал можна майже вдвічі стискати в напрямку, перпендикулярному утворюваним шарам.
Отриману деревну губку за допомогою вишукувальної обробки (близько 1000 градусів Цельсія) можна карбонізувати, перетворивши її на вуглецеву губку. На відміну від пористого вуглецевого матеріалу, який отримують за допомогою безпосередньої карбонізації деревини, вуглецева губка (так само, як і деревна) володіє шаровистою структурою, в якій відсутні вертикальні стінки. Це дозволяє стискати такий матеріал у напрямку, перпендикулярному шарах, досягаючи деформацій у 80 відсотків.
Крім того, таку вуглецеву губку можна вільно піддавати і циклічному впливу, стискаючи її і розтягуючи назад, так що при цьому не втрачаються її механічні властивості. Так, після 10 тисяч циклів стиснення-розтягнення (деформація при стисненні під час такої циклічної обробки становила 50 відсотків) залежність деформації від напруги для матеріалу не змінилася і він так само продовжував реагувати на стиснення і відновлювати свою форму після зняття навантаження.
Змоделювавши таку систему чисельно за допомогою методу кінцевих елементів, вчені показали, що її механічні властивості пов'язані з тим, що при деформації матеріалу не відбувається розтягнення і стиснення окремих вуглецевих шарів. Щоб забезпечити необхідну амплітуду деформації, спочатку викривлені шари достатньо тільки розпрямляти або згинати.
За словами дослідників, завдяки своїм механічним властивостям подібні вуглецеві матеріали можна буде застосовувати в гнучкій електроніці, акумуляторах або в якості підкладок для каталізаторів. Крім того, через те, що провідність вуглецевих губок залежить від їх деформації, їх також можна буде використовувати в якості механічних сенсорів.
Через дешевизну природної сировини її досить часто пропонують використовувати для отримання функціональних пористих матеріалів, при цьому природні джерела вуглецю не обмежуються тільки деревиною. Наприклад, китайські дослідники запропонували отримувати вуглецеві електроди для іоністорів з опалого листя. А інша група вчених синтезувала з помідорів флуоресцентні вуглецеві наночастинки.