Американські матеріалознавці збільшили твердість деревини у двадцять три рази. Вони обробили її киплячим лужним розчином, а потім стиснули за допомогою гарячого преса. Це дозволило позбутися м'якої фракції деревини (лігніна), заповнити порожнечі і скріпити сусідні целюлозні волокна водневими зв'язками. Ніж з отриманого матеріалу не поступається сталевим ножам, наприклад, їм можна з легкістю різати стейки. Результати дослідження опубліковані в журналі.
Твердістю називають здатність матеріалу чинити опір механічним деформаціям. Тверді матеріали потрібні всюди, від глибокого буріння до виготовлення ножів, цвяхів і шурупів. Тверді матеріали - сплави і кераміку - виготовляють при високій температурі і тиску, що робить матеріали дорожчими і збільшує їх вуглецевий слід.
Американські матеріалознавці під керівництвом Тенга Лі (Teng Li) з Університету Меріленду розробили твердий матеріал, який можна отримувати в м'яких умовах з повністю відновлюваної сировини. За основу вони взяли звичайну деревину - природний композит, що складається з міцних волокон полімеру целюлози, скріплених між собою більш м'яким полімером лігнином. Волокна целюлози в деревині розташовані впорядковано: всі волокна витягнуті за напрямом зростання дерева, при цьому дрібні волокна об'єднуються в більш великі структури, створюючи єдиний армуючий каркас. Це робить деревину міцною - наприклад, за питомою міцністю вона перевершує багато рукотворних матеріалів. Водночас твердість деревини невисока через присутність м'якого лігніна. Є у деревини й інші недоліки: порівняно з рукотворними матеріалами вона більш неоднорідна, має порожнини та інші дефекти, а під дією води поступово набухає і руйнується. Щоб перетворити деревину на твердий матеріал Лі та його колеги послідовно провели три процедури.
Вчені працювали з недорогою і поширеною деревиною липи. Спочатку матеріал різали на платівки розміром 100 x 50 x 25 міліметрів, занурювали в розчин гідроксиду натрію (NaOH) і сульфіту натрію (Na2SO3) і кип'ятили при температурі 100 градусів Цельсія. На цьому етапі відбувається часткове розчинення лігніна і геміцеллюлози. У пошуках ідеального складу матеріалу, автори змінювали час обробки і приготували три різні партії зразків, які кип'ятили два, чотири і шість годин.
Після кип'ятіння зразки промивали від залишків лужі, стискали за допомогою гарячого преса (20 МПа) перпендикулярно целюлозним волокнам протягом шести годин, а потім витримували при температурі 105 градусів Цельсія до повного випаровування рідини. Після першої стадії деревина стає навіть більш м'якою і пухкою, ніж до обробки, але після гарячого преса вона ущільнюється і твердіє. Нарешті, готові зразки та вироби занурювали в мінеральну олію на сорок вісім годин. Це дозволяє зробити поверхню матеріалу гідрофобною і надалі запобіжити його від набухання.
Твердість порівнювали за допомогою методу Брінелля - в матеріал втиснули твердий інтендер при фіксованому тиску і вимірювали розміри отриманої вм'ятини. Самим твердим виявився зразок, який кип'ятили в лужному розчині чотири години - порівняно з необробленою деревиною його твердість збільшилася в двадцять три рази. Очевидно, за чотири години вдається досягти максимального розчинення лігніна зі збереженням целюлозного каркасу. При меншому часі обробки в матеріалі залишається занадто багато лігнина, а при більшому починається часткове розчинення целюлозного каркасу.
Головна причина такого вражаючого поліпшення твердості - ущільнення матеріалу і заповнення внутрішніх пустот, яке, в свою чергу, призводить до утворення додаткових водневих зв'язків між сусідніми волокнами целюлози.
Щоб продемонструвати можливості нового матеріалу на практиці, вчені виготовили з нього їдальні ножі. Виявилося, що ножі не поступаються традиційним сталевим і цілком годяться для розрізання стейків. Більш того, для розрізання тестового зразка дерев'яним ножем потрібна вдвічі менша сила, ніж для розрізання такого ж зразка сталевим ножем.
Завдяки гідрофобному покриттю всі ножі витримують багаторазове миття, як у проточній воді, так і в посудомийній машині. А ще з нового матеріалу можна зробити цвяхи, які за механічними характеристиками не поступаються сталевим цвяхам такого ж розміру і не іржавіють в умовах високої вологості. Таким чином, новий матеріал цілком може стати дешевою та екологічною заміною сталі, принаймні для побутового застосування.
Розробкою нових функціональних матеріалів на основі деревини займаються й інші наукові групи. Навесні ми писали про дослідження Інго Бюргерта зі Швейцарії, який перетворив деревину на п'єзоелектричний матеріал, заселивши її грибами, які м'яко розчинили лігнін і геміцелюлозу, зберігши форму целюлозного каркасу. У результаті збільшився модуль стисканості матеріалу, а з ним і п'єзоелектричні властивості. А наприкінці минулого року вчені з групи Бюргерта разом з колегами з Нової Зеландії виготовили з деревини матеріал, що світиться. Цього разу вчені самі розчинили лігнін, а потім замінили його на розчин люмінесцентних квантових точок.