ไม้เทียม

นักวิทยาศาสตร์ได้ประดิษฐ์ไม้เทียมจากเรซินสังเคราะห์ ซึ่งการเลียนแบบไม้ธรรมชาตินั้นแสดงคุณสมบัติที่ดีขึ้นสำหรับการใช้งานอเนกประสงค์

ไม้เป็น อินทรีย์ เนื้อเยื่อเส้นใยที่พบในต้นไม้ พุ่มไม้ และพุ่มไม้ ไม้ถือได้ว่าเป็นวัสดุที่มีประโยชน์มากที่สุดและอาจเป็นวัสดุที่มีความหลากหลายมากที่สุด ดาวเคราะห์ โลก. มีการใช้มานานหลายพันปีเพื่อวัตถุประสงค์หลายประการ และได้รับการยกย่องอย่างสูงในเรื่องความหนาแน่นต่ำและมีความแข็งแรงสูง โครงสร้างเซลล์แบบแอนไอโซทรอปิกอันเป็นเอกลักษณ์ (เช่น คุณสมบัติที่แตกต่างกันไปในทิศทางที่ต่างกัน) ของไม้ทำให้ไม้มีคุณสมบัติเชิงกลที่น่าทึ่ง อีกทั้งยังทำให้มีความแข็งแกร่ง แข็งทื่อ แต่ยังคงเบาและยืดหยุ่นได้ ไม้มีกำลังรับแรงอัดสูงและแรงดึงต่ำ ไม้เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมและเป็นมิตรกับต้นทุน แข็งแรงเป็นพิเศษ ทนทาน และใช้งานได้ยาวนาน และสามารถนำไปใช้สร้างอะไรก็ได้ตั้งแต่การทำกระดาษไปจนถึงการสร้างบ้าน

ธรรมชาติได้ให้วัสดุที่น่าอัศจรรย์เช่นไม้แก่เราแล้ว ยังคงมีแรงบันดาลใจเกี่ยวกับธรรมชาติอยู่เสมอสำหรับเราในการออกแบบและพัฒนาวัสดุวิศวกรรมชีวเลียนแบบที่มีประสิทธิภาพสูง ซึ่งสามารถ 'เลียนแบบ' คุณสมบัติอันน่าทึ่งของวัสดุชีวภาพที่มีอยู่แล้วในธรรมชาติได้ เอกลักษณ์ของไม้มาจากโครงสร้างเซลล์แบบแอนไอโซทรอปิก พร้อมด้วยความหนาแน่นต่ำและมีความแข็งแรงสูง ในอดีตที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้พยายามออกแบบวัสดุโดยพิจารณาจากแนวคิดนี้เพื่อพยายามเลียนแบบคุณสมบัติของไม้ เช่น ความแข็งแรงสูงและน้ำหนักเบา อย่างไรก็ตาม การวิจัยส่วนใหญ่ได้นำไปสู่ผลลัพธ์ที่ไม่น่าพอใจ เนื่องจากวัสดุที่ออกแบบมาได้รับความทุกข์ทรมานจากข้อบกพร่องอย่างใดอย่างหนึ่ง ยังคงเป็นความท้าทายอย่างมากสำหรับวิศวกรในการสร้าง เทียม วัสดุคล้ายไม้ สิ่งนี้มีความเกี่ยวข้องสูงเพราะต้องใช้เวลาหลายสิบปีในการปลูกไม้ธรรมชาติ และเวลาและประสิทธิภาพเป็นเกณฑ์สำคัญเมื่อต้องการทำวัสดุที่คล้ายกับไม้ธรรมชาติ

ไม้ชีวภาพ

นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งประเทศจีนได้คิดค้นกลยุทธ์ใหม่สำหรับการประดิษฐ์พอลิเมอร์เทียมที่ได้รับแรงบันดาลใจทางชีวภาพ ไม้ ในขนาดใหญ่ วัสดุประดิษฐ์นี้มีโครงสร้างจุลภาคคล้ายไม้ ควบคุมได้ดีในโครงสร้างจุลภาค และจะแสดงให้เห็นคุณสมบัติ เช่น น้ำหนักเบาและมีความแข็งแรงสูง ซึ่งเทียบได้กับคุณสมบัติทางกลของไม้ธรรมชาติ นักวิจัยระบุว่าวัสดุใหม่นี้มีความแข็งแรงเท่ากับไม้ธรรมชาติ ซึ่งแตกต่างจากไม้วิศวกรรมอื่นๆ ที่วิจัยมาจนถึงปัจจุบัน

ไม้ที่พบในธรรมชาติประกอบด้วยพอลิเมอร์ธรรมชาติที่เรียกว่าลิกนินซึ่งมีหน้าที่ทำให้ไม้แข็งแรง ลิกนินจับผลึกเซลลูโลสขนาดเล็กเข้าด้วยกันในโครงสร้างคล้ายตาข่ายเพื่อสร้างความแข็งแรงสูง นักวิจัยคิดว่าจะจำลองลิกนินโดยใช้พอลิเมอร์สังเคราะห์ที่เรียกว่ารีโซล ซึ่งมีคุณสมบัติใกล้เคียงกัน พวกเขาประสบความสำเร็จในการแปลงความละเอียดที่มีอยู่ตามประเพณี (เรซินฟีนอลและเรซินเมลามีน) เป็น ไม้เทียม เหมือนวัสดุ การแปลงทำได้โดยใช้คุณสมบัติการประกอบตัวเองของพอลิเมอร์รีโซลก่อนแล้วจึงทำการประมวลผล เพื่อให้บรรลุถึงการประกอบตัวเอง เทอร์โมเรซินเหลวจะถูกแช่แข็งในทิศทางเดียว จากนั้นจึงบ่ม (เชื่อมขวางหรือโพลิเมอไรซ์) ที่อุณหภูมิไม่เกิน 200 องศาเซลเซียส ไม้เอ็นจิเนียร์ที่ผลิตขึ้นมีโครงสร้างคล้ายเซลล์ซึ่งคล้ายกับไม้ธรรมชาติอย่างใกล้ชิด ต่อจากนั้น การทำเทอร์โมเคอร์ริ่งซึ่งเป็นกระบวนการที่ประกอบด้วยการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่เกิดจากอุณหภูมิ (ในที่นี้เรียกว่าโพลิเมอไรเซชัน) ในความละเอียด ได้ดำเนินการเพื่อผลิตไม้โพลีเมอร์เทียม สามารถควบคุมขนาดรูพรุนและความหนาของผนังของวัสดุดังกล่าวได้ด้วยตนเอง ไม่เพียงแค่นั้น คริสตัลไลต์ที่ทำขึ้นเองยังสามารถเปลี่ยนแปลงได้ตามความต้องการของชนิดของไม้ นอกจากนี้ยังสามารถเปลี่ยนสีได้โดยการเพิ่มหรือเปลี่ยนผลึกซึ่งยึดความละเอียดไว้ด้วยกัน เมื่อไม้วิศวกรรมนี้ถูกบีบอัด จะมีความต้านทานใกล้เคียงกับไม้ธรรมชาติ วิธีการที่อธิบายไว้ในการศึกษานี้ยังสามารถเรียกได้ว่าเป็นแนวทางสีเขียวในการเตรียมไม้เทียมซึ่งสามารถใช้ปุ๋ยหมักของวัสดุนาโนเช่นเซลลูโลสนาโนไฟเบอร์และกราฟีนออกไซด์

สิ่งที่น่าสนใจคือ ไม้เทียมที่ผ่านกระบวนการวิศวกรรมสามารถต้านทานการกัดกร่อนต่อน้ำและกรดได้ดีกว่าไม้ธรรมชาติ โดยที่คุณสมบัติทางกลของไม้ไม่ลดลง ซึ่งหมายความว่าไม้เทียมสามารถต้านทานสภาพอากาศที่รุนแรงและจะได้รับการปรับปรุงในด้านการป้องกัน นอกจากนี้ยังแสดงให้เห็นฉนวนกันความร้อนที่ดีขึ้นและทนต่อไฟได้ดีขึ้น และไม่ติดไฟง่ายเหมือนไม้ธรรมชาติส่วนใหญ่เป็นเพราะรีโซลเป็นสารหน่วงไฟ นี่อาจเป็นประโยชน์สำหรับภาคส่วนต่างๆ เช่น การผลิตและการก่อสร้าง โดยเฉพาะอาคารที่พักอาศัยซึ่งเกิดไฟไหม้ได้เมื่อสร้างโดยใช้ไม้ธรรมชาติ วัสดุนี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับสภาพแวดล้อมที่สมบุกสมบันและสมบุกสมบัน เนื่องจากได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้นเมื่อเทียบกับไม้ธรรมชาติ มีลักษณะเฉพาะเมื่อเทียบกับวัสดุทางวิศวกรรมมาตรฐาน เช่น เซลลูลาร์เซรามิกและแอโรเจล ในแง่ของความแข็งแรงและคุณสมบัติของฉนวนความร้อน นอกจากนี้ยังมีประสิทธิภาพมากกว่าวัสดุคอมโพสิตไม้พลาสติกส่วนใหญ่เนื่องจากมีความแข็งแรงสูง ไม้เอ็นจิเนียร์มีคุณสมบัติมากมายซึ่งทำให้มีประสิทธิภาพมากขึ้น

กลยุทธ์ใหม่ที่อธิบายไว้ในการศึกษานี้ตีพิมพ์ใน วิทยาศาสตร์ก้าวหน้า ให้แนวทางใหม่ในการผลิตและออกแบบวัสดุผสมทางวิศวกรรมชีวเลียนแบบที่มีประสิทธิภาพสูงซึ่งจะมีข้อได้เปรียบที่สำคัญกว่าวัสดุผสมแบบเดิม วัสดุใหม่ดังกล่าวสามารถนำไปใช้อย่างกว้างขวางในหลายสาขา

***

{คุณสามารถอ่านรายงานการวิจัยต้นฉบับได้โดยคลิกลิงก์ DOI ที่ระบุด้านล่างในรายการแหล่งที่มาที่อ้างอิง}

แหล่งที่มา (s)

Zhi-Long Y ที่อัล 2018 ไม้โพลีเมอร์ที่ได้รับแรงบันดาลใจทางชีวภาพ วิทยาศาสตร์ก้าวหน้า. 4(8)
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223

***