Nanowood — новый теплоизолирующий биоразлагаемый материал

Ученые разработали теплоизоляционный материал, изготовленный из дерева, который является легким, прочным и полностью изготовлен из крошечных обрезанных древесных волокон.

Так называемый «nanowood», описанный в журнале Science Advances, однажды может быть использован для создания более энергоэффективных зданий. Это дешево и биоразлагаемо.

«Природа производит этот материал», — сказал старший автор Лянбинг Ху, научный сотрудник по материалам и инженер Университета штата Мэриленд в Колледж-парке.

Управление теплом является важной проблемой в городах, которые мы строим. Зимой трудно удержать тепло в помещении и держать его на открытом воздухе летом. Изолирующие материалы, используемые в настоящее время, зачастую очень дороги, как в плане денег, так и энергии. Они обычно не подвергаются биологическому разложению и, в конечном счете, способствуют нашим растущим свалкам. Поэтому ученые пытались придумать более дешевые, более экологичные варианты.

Лянбинг Ху исследовал свойства наноцеллюлозных, нанометровых версий целлюлозы, жесткого углевода в клеточных стенках растений, который позволяет стволам деревьев расти. В этих невероятно небольших масштабах целлюлозные волокна могут приобретать замечательные характеристики, в том числе соотношение прочности к массе, и она примерно в восемь раз больше, чем у стали.

Лянбинг Ху и его команда уже разработали прочный, плотный материал, который они назвали супер-древесиной, удалив часть лигнина древесины — это сложный полимер, который держит целлюлозу в древесине вместе с гемицеллюлозой, другим компонентом древесины.

Для этого проекта Лянбинг Ху и его коллеги удалили весь лигнин и большую часть гемицеллюлозы. Лигнин очень хорош при проведении тепла, что означает, что он был бы плохим изолятором. Без лигнина древесный материал стал белым, что позволило ему отражать входящий свет, а не поглощать его (что также помогает блокировать тепло).

Секрет изоляционных сил «нановуда» частично связан с его структурой. Например, пенополистирол изотропный материал: он в основном выглядит одинаково под любым углом. Но nanowood является анизотропным: волокна соединяются параллельно, поэтому он сильно отличается с разных углов зрения. Тепло может перемещаться вверх и вниз по волокнам с легкостью, но не может легко пересечь их, особенно из-за воздушных зазоров, оставленных после того, как весь древесный наполнитель (лигнин и гемицеллюлоза) был удален.

Ученые обнаружили, что нановуд был таким же хорошим изолятором, как и пенополистирол — и даже немного лучше. Это намного превосходило другие материалы.

Кроме того, нановуд был также легким и выдерживал давление в 13 мегапаскалей. Исследователи говорят, что это примерно в 50 раз выше, чем такие изоляторы, как целлюлозная пена и более чем в 30 раз выше, чем самые лучшие из используемых в промышленности теплоизоляционных материалов.

Еще лучше то, наноцеллюлоза легко доступна и относительно дешева для обработки, и может стоить всего лишь 7,5 ам. долл. за квадратный метр. В правильных условиях бактерии могут поедать его, сделав биоразлагаемым.

«Когда толщина составляет менее 1 мм, материал может быть легко свернут и сложен, что делает его пригодным для применения, где требуется гибкость, таких как трубопроводы на химических заводах и электростанциях», — пишут авторы.

Лянбинг Ху говорит, что такой прочный, легкий, теплоизолирующий биоразлагаемый материал может иметь множество будущих применений. Его можно использовать для создания небоскребов, для производства автомобилей, даже для защиты теплочувствительной электроники, будь то на Земле или в космосе.

Больше информации: Tian Li et al. Anisotropic, lightweight, strong, and super thermally insulating nanowood with naturally aligned nanocellulose, Science Advances (2018). DOI: 10.1126/sciadv.aar3724