מדענים ייצרו עץ מלאכותי משרף סינתטי אשר תוך חיקוי עץ טבעי מציג תכונות משופרות לשימוש רב תכליתי
עץ הוא אורגני fibrous tissue found in trees, bushes and shrubs. Wood can be called as the most useful and maybe the most versatile material on כוכב לכת Earth. It has been used for thousands of years for multiple purposes and is highly remarked for its low density and high strength. The unique anisotropic cellular structure (i.e. different properties in different directions) of wood grants it amazing mechanical properties as well making it strong, stiff but still light and flexible. Wood has high compressive strength and low tensile strength. Wood is environment and cost friendly, super strong, durable and long-lasting and can be used for building just anything from making paper to building houses.
הטבע כבר סיפק לנו חומרים מדהימים כמו עץ. עם זאת, תמיד ישנה השראה סביב הטבע עבורנו לעצב ולפתח חומרים הנדסיים ביו-מימטיים בעלי ביצועים גבוהים, כאלה שיכולים 'לחקות' את התכונות המדהימות של חומרים ביולוגיים שכבר נמצאים בטבע. ייחודו של העץ נובע מהמבנה הסלולרי האניזוטרופי שלו יחד עם צפיפות נמוכה וחוזק גבוה. בעבר לאחרונה ניסו מדענים לעצב חומרים תוך התחשבות במושג זה במטרה לשכפל תכונות של עץ כמו חוזק גבוה וקלות משקל. עם זאת, רוב המחקר הוביל לתוצאות לא משביעות רצון מאחר והחומרים שתוכננו סבלו מפגם כזה או אחר. זה עדיין נותר אתגר מהותי עבור מהנדסים לבנות מלאכותי חומרים דמויי עץ. זה בעל רלוונטיות גבוהה מכיוון שלוקח עשרות שנים לגדל עץ טבעי וזמן ויעילות הם קריטריון חזק כאשר מחפשים לייצר חומר הדומה לעץ טבעי.
עץ בהשראה ביולוגית
חוקרים מאוניברסיטת המדע והטכנולוגיה של סין פיתחו אסטרטגיה חדשה לייצור פולימרי מלאכותי בהשראת ביולוגית עץ בקנה מידה גדול. לחומר מלאכותי זה יש מיקרו-מבנה סלולרי דמוי עץ, יכולת שליטה טובה במיקרו-מבנים והוא יפגין תכונות כמו קלות משקל וחוזק גבוה בדומה לתכונות המכניות של עץ טבעי. חוקרים מצהירים כי החומר החדש הזה חזק כמו עץ טבעי שלא כמו כל עץ מהונדס אחר שנחקר עד היום.
עץ המצוי בטבע מכיל פולימר טבעי בשם ליגנין שאחראי על הפיכת העץ לחזק. לגנין קושר גבישים קטנים של תאית יחד במבנה דמוי רשת כדי ליצור חוזק גבוה. חוקרים חשבו לשכפל ליגנין על ידי שימוש בפולימר סינתטי בשם רסול בעל תכונות דומות. הם המירו בהצלחה רזולים זמינים באופן מסורתי (שרף פנולי ושרף מלמין) ל עץ מלאכותי כמו חומר. ההמרה הושגה על ידי ניצול תחילה של תכונות הרכבה עצמית של הרסול הפולימרי ולאחר מכן על ידי ביצוע אפרורית. להשגת הרכבה עצמית, שרפים תרמוסטטיים נוזליים הוקפאו באופן חד-כיווני, ואז נרפאו (צולבים או פולימריים) בטמפרטורות של לא יותר מ-200 מעלות צלזיוס. העץ המהונדס המיוצר מאמץ מבנה דמוי תא הדומה מאוד לזה של עץ טבעי. לאחר מכן, בוצע תרמו - תהליך המורכב משינוי כימי המושרה בטמפרטורה (כאן, פילמור) ברסול - לייצור עצים פולימריים מלאכותיים. ניתן לשלוט באופן ידני על גודל הנקבוביות ועובי הדופן של חומר כזה. לא רק זה, גם את הקריסטליטים שיוצר רסול ניתן לשנות בהתאם לדרישת סוג העץ. ניתן גם לשנות את הצבע על ידי הוספה או החלפה של הגבישים שמחזיקים את הרזול ביחד. כאשר עץ מהונדס זה נדחס, הוא מפגין עמידות דומה למקבילו הטבעי. ניתן לכנות את הגישה המתוארת במחקר כגישה ירוקה להכנת עצים מלאכותיים שבהם ניתן להשתמש בקומפוסט של ננו-חומרים כמו ננו-סיבי תאית ותחמוצת גרפן.
מעניין לציין שעץ מלאכותי מהונדס מציג עמידות טובה יותר בפני קורוזיה בפני מים וחומצה בהשוואה לעץ טבעי תוך הנחה שאין ירידה בתכונות המכניות שלו. המשמעות היא שעץ מלאכותי יכול לעמוד בפני אירועי מזג אוויר קיצוניים וישתפר במתן הגנה. זה גם מראה בידוד תרמי טוב יותר ועמידות משופרת בפני אש ולא יתלקח בקלות כמו שעושה עץ טבעי בעיקר בגלל שהרסול מעכב אש. זה יכול להיות ברכה למגזרים כמו ייצור ובנייה, במיוחד בנייני מגורים שמתלקחים כשהם נבנים באמצעות עץ טבעי. החומר מתאים באופן אידיאלי לסביבות קשות וקשות מכיוון שהוא משופר למדי בהשוואה לעץ טבעי. הוא ייחודי בהשוואה לחומרים הנדסיים סטנדרטיים כמו קרמיקה סלולרית ואירוג'לים בהתייחס לחוזק ולתכונות בידוד תרמי. זה גם יעיל יותר מרוב חומרי הפלסטיק-עץ המרוכבים בגלל החוזק הגבוה שלו. לעץ המהונדס יש לא מעט תכונות שהופכות אותו ליעיל יותר.
האסטרטגיה החדשה שתוארה במחקר זה שפורסמה ב התקדמות מדע מספק דרכים חדשות לייצר ולהנדס מגוון של חומרים מרוכבים הנדסיים ביו-מימטיים בעלי ביצועים גבוהים אשר יהיו בעלי יתרון משמעותי על פני מקביליהם המסורתיים. לחומרים חדשים כאלה יכולים להיות יישומים רחבים בתחומים רבים.
***
{תוכל לקרוא את עבודת המחקר המקורית על ידי לחיצה על קישור ה-DOI המופיע להלן ברשימת המקורות המצוטטים}
מקור (ים)
Zhi-Long Y ועוד. 2018 עצים פולימריים בהשראה ביולוגית. התקדמות מדע. 4 (8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
***
