Изображение Microct, которое показывает распределение железного минерала в деревянной клеточной стенке (в бирюзовой). Кредит: Флорида Атлантический университет
Вливая красный дуб с ферригидритом, используя простой, недорогой процесс, исследователи укрепляли древесину на клеточном уровне, не добавляя веса и не изменяя гибкость, что, вызывая прочную, экологически чистую альтернативу стали и бетону. Обработанное древесину сохраняет свое естественное поведение, но приобретает внутреннюю долговечность — обеспечивая путь для более экологически чистых альтернатив в строительстве, мебели и полах.
Ученые и инженеры разрабатывают высокопроизводительные материалы из экологически чистых источников, таких как растительные отходы. Ключевой компонент, лигноцеллюлоза — оборотная в древесине и многие растения — может быть легко собран и химически модифицирован для улучшения его свойств.
Используя эти виды химических изменений, исследователи создают передовые материалы и новые способы разработки и устойчивого создания. Примерно в 181,5 млрд. Тонн дерева каждый год производится во всем мире, это один из крупнейших источников возобновляемых материалов.
Исследователи из Колледжа инженерных и компьютерных наук во Флоридском Атлантическом университете, а также сотрудники из Университета Майами и Национальной лаборатории Ок -Ридж хотели выяснить, может ли добавление чрезвычайно жестких минералов в наноразмерных условиях укрепить стены из деревянных клеток — без того, чтобы сделать древесину тяжелым, дорогим или плохим для окружающей среды. В нескольких исследованиях изучалось, как обработанная древесина выполняется в разных масштабах, и ни одна из них не успешно укрепила целые кусочки древесины, включив неорганические минералы непосредственно в клеточные стенки.
Исследовательская группа сосредоточилась на специальном типе лиственных пород, известном как кольцевое дерево, которое поступает из широколистных деревьев, таких как дуб, клено, вишня и грецкий орех. Эти деревья имеют большие кольцевые сосуды в древесине, которые переносят воду из корней в листья.
Для исследования исследователи использовали красный дуб, общие лиственные породы в Северной Америке и ввели в древесину железное соединение с помощью простой химической реакции. Смешивая нитрат железа с гидроксидом калия, они создали ферригидрит, минерал оксида железа, обычно встречающийся в почве и воде.
Результаты исследования, опубликованные в журнале ACS Applied Materials и интерфейсыпоказал, что простой, экономически эффективный химический метод с использованием безопасного минерала, называемого нанокристаллическим оксигидроксидом железа, может укрепить крошечные клеточные стенки в древесине, добавляя только небольшое количество дополнительного веса.
Инструмент биомодальной атомной силовой микроскопии (AFM), используемый исследователями в Национальной лаборатории Оук -хребта. Кредит: Стивен А. Соини, Флорида Атлантический университет
Хотя внутренняя структура стала более долговечной, общее поведение древесины, например, как оно изгибается или ломается, в значительной степени оставалось в значительной степени неизменным. Вероятно, это связано с тем, что обработка ослабила связи между отдельными древесными клетками, влияя на то, как материал содержится в более широком масштабе.
Результаты показывают, что при правильной химической обработке можно повысить прочность древесины и других растительных материалов, не увеличивая их вес и не нанося вреда окружающей среде. Эти биологические материалы могут однажды заменить традиционные строительные материалы, такие как сталь и бетон в таких применениях, как высокие здания, мосты, мебель и пол.
«Древесина, как и во многих натуральных материалах, имеет сложную структуру с различными слоями и особенностями в различных масштабах. Чтобы по -настоящему понять, как древесина нагружается и в конечном итоге терпит неудачу. науки.
«Чтобы проверить нашу гипотезу — что добавление крошечных минеральных кристаллов в клеточные стенки укрепит их — мы использовали несколько типов механических испытаний как в наноразмерном, так и в макроскопическом масштабе».
Для исследования исследователи использовали передовые инструменты, такие как атомная силовая микроскопия (AFM), чтобы исследовать древесину в очень небольших масштабах, что позволяет им измерить такие свойства, как жесткость и эластичность. В частности, они использовали методику, называемую AM-FM (амплитудная модуляция-модуляция частота), которая вибрирует наконечник AFM на двух разных частотах. Одна частота генерирует подробные изображения поверхности, в то время как другая измеряет эластичность и липкость материала. Этот метод дал им точный вид на то, как клеточные стены древесины были изменены после обработки минералами.
Кроме того, команда провела тесты на наноиндентацию в сканирующем электронном микроскопе (SEM), где крошечные зонды вжали в древесину, чтобы измерить его реакцию на силу в разных областях. Чтобы завершить свой анализ, они провели стандартные механические тесты, такие как сгибание как необработанных, так и обработанных образцов древесины, чтобы оценить их общую прочность и то, как они сломались под стрессом.
Изображение Microct, которое показывает распределение железного минерала в деревянной клеточной стенке (в бирюзовой). Кредит: Флорида Атлантический университет
«Глядя на древесину на разных уровнях-от микроскопических структур внутри клеточных стен вплоть до полного куска древесины,-мы смогли узнать больше о том, как химически улучшить натуральные материалы для реального использования»,-сказал Мерк.
Эта комбинация мелкого и крупномасштабного тестирования помогла исследователям понять, как лечение повлияло как на мелкие детали внутри клеточных стен, так и общую прочность древесины.
«Это исследование знаменует собой значительный прогресс в области устойчивого материаловедения и значимый шаг к экологически чистым строительству и дизайну»,-сказала Стелла Баталама, доктор философии, декан Колледжа инженерных и компьютерных наук.
«Усиление естественного древесины с помощью экологически сознательных и экономически эффективных методов наши исследователи закладывают основу для нового поколения материалов на основе био, которые могут заменить традиционные материалы, такие как сталь и бетон в конструктивном применении.
«Влияние этой работы выходит далеко за пределы инженерной области-оно способствует глобальным усилиям по сокращению выбросов углерода, сокращению отходов и принятию устойчивых, вдохновленных природой решения для всего, от зданий до крупномасштабной инфраструктуры».
Больше информации:
Стивен А. Соини и др., Многокачественная механическая характеристика минеральных древесных стен, армированных минералами, ACS Applied Materials & Interfaces (2025). Doi: 10.1021/acsami.4c22384
Информация журнала:
ACS Applied Materials and Interfaces, предоставленные Флоридским Атлантическим университетом
Цитирование: Инженеры укрепляют древесину с экологически чистым нано-железом (2025, 28 апреля), извлеченные 29 апреля 2025 года из этого документа, подвергается авторским праву. Помимо каких -либо справедливых сделок с целью частного исследования или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только для информационных целей.
