木头的美妙的向导

Liangbing胡锦涛使木材可以像乒乓球弹跳。他还可以压扁它像橡胶玩具,或使它比钢。他解释说从他的实验室在马里兰大学的美国,它是简单的化学:使用氢氧化钠和亚硫酸钠与热量和压力。“你可以使这些东西,”他说。木材是一种新的金属,一种新的塑料、新混凝土。所有你需要知道的是如何玩它,仅仅通过化学工程”。

胡锦涛等工作,是彻底改变我们如何看我们最丰富的可再生资源之一,木材技术进入了一个新时代。

棘手的问题

已经有很长时间。在20世纪,木材研究停滞不前,罗杰·罗说,复合农业材料教授威斯康星-麦迪逊大学的我们。很多木材化学已经做过,”他说。人们会挂在最下面的果实后,缺乏创新,我们的表现让人失望。”

目前,大多数试图创新涉及木材已经改换成散装现有技术。教授在2020年年底,高雄Doi在日本京都大学和前宇航员开始发展木材替代材料构建卫星。Doi认为,这不仅会节约成本与铝和钢结构已经在使用,但也燃烧在轨道上其工作寿命结束后没有释放氧化铝或小块的金属轨道太空垃圾在高层大气中。Doi的卫星木概念,WISA Woodsat,定于今年晚些时候推出。

然而,这仍然是思考太大了。尽管每年估计有150亿棵树木减少,木材,纸张或纸浆,一些研究者认为木材行业在很大程度上忽视了其原料的化学组成的潜力。

罗说,理解木材的关键是,它不是一个材料。如果你要求404级不锈钢,它是相同的世界各地。如果你问对木材,每一块都是不同的。这是一个三维bio-polymer复合。你不能研究木材,你必须看看聚合物化学、生物化学、碳水化合物化学、木质素化学、水分运动、肿胀、萎缩和腐烂。但了解木材,解释其属性,你必须从内而外的。

我们有这个技术,但人们仍是老式的

木材的化学变化取决于类型的树,但是,一般来说,是相对简单的。木材主要是纤维素和半纤维素,木质素,一系列复杂的有机聚合物。这些分子链编织成初级纤维、纳米纤维,纤维束直径约50µm。

然而,缺乏理解的木材是在分子水平上,罗认为,意味着明显解决主要的木材问题没有被考虑。潮湿和腐烂,例如,通常是由真菌引起的。“整个木材防腐行业是基于毒性,而不是真菌攻击的机制。自然不会浪费精力去攻击它不能——把真菌在玻璃和它不做任何事。罗的研究已经集中而不是让木头没有吸引力。木头用乙酸酐处理,这与植物细胞壁反应为乙酰基取代羟基。作为奖励,这是干燥,因此更强,恢复通过收获木材体积丢失。“乙酰化木材的样子,木!”他说。它闻起来像木头。它尝起来像木头。但它不会腐烂,膨胀或收缩。 We have this technology, but people are still old-fashioned.’

这只是一个选项在探索实现木材的潜力。其他组织使用更简单的化学反应和重写规则手册的木头能做什么。

纸浆的非小说类

胡没什么老式的方法。起初,他的研究主要集中在碳纳米管,在他意识到之前同样的原理可以应用于木材。“这是一个纳米复合材料,”胡锦涛说。如果你看看木作为一个整体,你会需要一个木材科学博士学位。我不感兴趣这些并发症。我的目标是增强性能的纳米纤维在这个大,多孔复合。而不是担心整个结构是做什么,通过关注化学胡锦涛已经能够填补他的实验室以惊人的作品。”有两个主要类别,“他说:”使木材尽可能密集,这使得它强大的…或另一种方式是使它尽可能的多孔性,从而导致良好的绝缘材料和允许您调整光学性质…你几乎可以做任何事情。”

加强木材,木材中的木质素和半纤维素的结构部分被使用的混合2.5 m氢氧化钠和亚硫酸钠0.4米7小时,在被压在一天100°C左右。这种破坏木材的细胞壁膜,压缩并将纤维素纳米纤维,木材的厚度减少了80%。“特定super-wood甚至比钢的强度,但它是轻的六倍,”胡锦涛说。如果你试图把它,你会失望!”

如果你致密木头,它不仅是强,但需要更长的时间来降低

木头不是简单的承载。2018年,胡锦涛发表了一篇论文显示了木材作为低成本的可能性,轻量级的盔甲。在其强化木材子弹射击后,研究小组发现,它不仅导致一个小得多的弹洞比你见过的自然木材,但它能够吸收10倍的动能。这些防弹属性增加了添加额外的层方向略有不同。

密集的木材更有深远的影响。“想想脱碳,”胡锦涛说。“最好的方法之一就是多种树。和你想要那些树保持木材对许多人来说,多年来,时间越长越好,储存的二氧化碳。如果你致密木头,它不仅加强对白蚁和水,但更耐用,需要更长的时间来降低。它可以取代钢和混凝土。对钢铁,得到每公斤约1.85千克的二氧化碳的排放。木头,你删除约1.8千克。“从本质上讲,树木作为巨大的二氧化碳储存。日益增长的森林可持续使用代替钢不仅可再生:对环境更好。

长途电话费

相反,通过巴尔杉木,煮沸,然后把它浸泡在相同的解决方案,冷冻冻干,木质素和半纤维素在细胞壁变薄,羰基和碳氧键拉伸,但不破坏。相反,他们释放纤维素纤维,木材的削弱细胞之间形成凝胶已经变成了蜂巢晶格。

结果是软木材反弹甚至没有疲劳的迹象后压缩70%超过10000次。此外,纺锤创建通道,允许离子电导率。2021年,胡锦涛的团队copper-alkaline中的纤维浸泡,然后把它浸泡在电解液中添加锂离子。结果,当制成电池,进行10 - 100倍比聚合物电解质。

树木每天都做这种东西,对吧?他们泵水

正如胡提到的,木头的光学特性也可以调整,只需改变细胞壁。木似乎是白色的,但红外线,它完全是黑色的,”他说。“如果你把它放在一个屋顶,你可能很酷的你的房子10°C。这是一个更好的绝缘形式。胡锦涛的工作甚至开发透明的木头,允许光通过的92%左右。

马里兰团队的研究不仅仅是改变木材材料极端,要么——这也是核心属性,自然已经设计,并使用我们的优势。“任何类型的树我们新闻变成相同的材料。但是我们有不同的树有不同的微观结构,其中一些有申请特定的组合。“胡锦涛已经看是否这样的大规模结构可用于海水淡化。海水淡化的主要问题之一是,当你收集蒸汽,你也收集大量的盐表面上,”他说。基本上,杀了这台机器。但树木每天都做这种东西,对吧?他们泵水。的硬木,如橡树,既有大型和小型渠道在树干上。“如果正确削减木材,你可以确保它是由太阳辐射加热。里面的水变成了蒸汽,你可以收集它,和盐仍在木头。 Usually, the membrane will start to accumulate salt, but wood, with these big channels, allows the salt to go back into the ocean.’

尽管这一承诺,他面临的挑战是确保这些奇迹可以应用于一个工业规模。“我们选择了这些化学物质,因为它们是可伸缩的,”胡锦涛说。“有一个基础设施已经到位。”——仍然需要解决的问题是如何化学物质扩散到结构。“你有一个梯度,”胡锦涛说。如果你有足够的时间来处理木材的中心,它将损害表面的纤维。现在这是一个主要障碍。

树维印刷

大半个地球,在以色列耶路撒冷希伯来大学的Doron锦看着木头在一个完全不同的方式。这是一个很好的问题——为什么看木?我们基本上是一个沙漠国家,我们甚至没有森林!”他的笑话。这是纯科学。木材是一种神奇的材料。它可以承受紫外线辐射和温度变化。但是如果你环顾四周,人们通常都把树,切成小块,粘合在一起。所以我开始问一个问题:你能从一个自底向上的方法建立木材,喜欢大自然?”

金开始研究纤维素纳米晶体。这些已经被调查由于能够自组装成手性胆甾相液晶,与潜在的应用,如安全纸或mirrorless激光。他们也很容易通过简单的木质纤维水解。水解得到的最终结果这些小胡须约100 - 150海里的长度和直径3海里,在水中悬浮体,胶体体系,”金说。”,这是一个纳米粒子,我们认为这将是一个很好的树脂。想法是使用弱约束性指标(氢键和范德瓦尔斯)在水介质没有任何化学功能。基本上,我们正在与木材胶合木”。

通过精细摧毁木粉、微观木材纤维,分散在纤维素纳米晶体和xyloglucan(半纤维素存在于细胞壁),团队能够与木材,3 d打印,不需要合成聚合物通常在3 d打印,如聚乙烯醇或丙烯腈丁二烯苯乙烯。“我们开始印刷各种对象,”金说。我们刚刚开始玩耍。

团队开始创建简单的事情:棋盘上使用两个不同的木材类型、花格窗和一个木制螺母和螺栓。但这仅仅是个开始。“当你砍树,”金说,“从日志水蒸发出来,不同的谷物有柱形不对称,这不同取向引起木材翘曲。这是主要问题的人用木头雕刻。所以我们认为“好的,让我们试着模仿,然后控制它和理解发生了什么”。通过这个控制-变形过程和理解团队能够更好地控制他们的3 d打印,使多功能木材结构的任何他们所希望的形状。从建筑木粉是一种浪费的产品,绿色化学的项目也是一个典型的例子。

但也有一些缺点,如锦承认。“这真是一个混乱的系统,”他说。我们的系统组成是多分散的,就像在大自然中,随着木粉有各种各样的大小和形状,在几十微米,可以改变及其纤维素纳米晶体相差几十纳米。现在,我们只是表明我们理解不同的现象,我们可以模型,我们可以创建这些对象。我们专注于基本问题,而不是应用程序。”

很难让那些表哥在锯木厂的想法不同

还有一个问题采取的技术市场,。现在,这样的印刷对象是容易受到水的破坏,可能会失去他们的力量即使很短的曝光。的主要挑战,当你不使用任何合成材料,是水,”他说。现在,我们不知道如何制造木制生物聚合物交联好没有合成树脂。人们试图解决这个问题通过压缩木材对象,和很多组织看不同的酶,但现在它是一个大问题。”

清晰,木材科学仍有障碍。然而,一旦这些问题得到解决,似乎木-由于相当简单的化学和基础工程已经准备好大东山再起,令我们可能从未想过的方式。胡,它不能很快到达。世界将需要更多的材料,”他说。“好消息是,树木,木材,是全球分布的材料——你可以使用本地资源,并在本地处理它们,那么我们就可以开始解决全球材料短缺我们的供应链。

然而,罗警告说,病原反应一步看到这些应用程序进入市场并没有与化学。“木材是一个古老的行业,”他说。不需要很多的机会。这是所有人的表哥在锯木厂工作,,很难让他们的想法不同。观察纳米技术在木材是20岁,而且,当我们开始做一遍,我们并没有真正把它付诸实践。”这种心态,罗说,我们需要改变。我们需要开始意识到木头很强大的东西,那我们的未来材料和化学物质来。”

工具包查普曼是一个基于科学作家和讲师的法尔茅斯,英国