Статья:

О потенциальной замене титана в самолето- и автомобилестроении на органические материалы ученые говорят давно. И если раньше подобные заявления звучали, как нечто фантастическое, то в последние годы наука все ближе подходит к тому, чтобы воплотить эту идею в реальность.

«Сверхдерево» профессора Лянбинь Ху

Как сообщает издательство Nature, в 2018г. учёные под руководством профессора Лянбинь Ху из Университета штата Мэриленд (UMD) разработали способ получения сверхпрочного материала из обычного дерева. Методика применима для различных видов древесины. После обработки удельная прочность материала (то есть предел прочности, отнесенный к плотности) оказывается в несколько раз больше чем, например, у быстрорежущей инструментальной стали (особо твердый вид стали). Подробнее ознакомиться с данной публикацией можно по ссылке

Процесс создания сверхпрочной древесины включает два этапа. Первый этап начинается с замачивания деревянного бруска в ванне с гидроксидом натрия и сульфатом натрия. В процессе химической реакции из древесины частично удаляются лигнин и гемицеллюлоза (полимеры, которые делают клеточные стенки растений жесткими), за счет чего она становится менее пористой и более гибкой. Важно отметить, что большая часть целлюлозы (третьего полимера) при это остается нетронутой.  

На втором этапе брусок сдавливают металлическими пластинами пресса при температуре 100 °C и под давлением 5 Мпа (т. е. около 50 атмосфер) в направлении, перпендикулярном направлению волокон. Такое воздействие сминает сохранившиеся наиболее стабильные полимеры, уменьшая образец примерно на 20 % и делая его втрое более плотным.

Конечный результат, который можно увидеть под микроскопом, – это слои древесины, плотно прилегающие друг к другу. Толщина конечного материала составляет примерно одну пятую от его первоначального размера, но в три раза больше плотности (см. Рис.2).

Затем исследователи подвергли уплотненную древесину серии экспериментов, чтобы измерить ее механические свойства.  Результаты оказались впечатляющими: новый материал не только успешно прошел тест на влажность (древесина разбухла всего на 8,4 процента), но и продемонстрировал рекордный показатель предела прочности – в 11,5 раз больше, чем у обычного дерева и в несколько раз больше, чем у различных пластиков (например, нейлона).  

“Новая древесина прочная, как сталь, но в шесть раз легче, – рассказывает соруководитель исследовательской группы Тэн Ли в интервью изданию «Popular Mechanics». – На разрушение этого материала требуется в 10 раз больше энергии, чем на натуральное дерево. Его можно даже гнуть и формовать в начале процесса“. (подробнее по ссылке).

Помимо этого, ученые испробовали материал на пуленепробиваемость. Они выпустили стальной снаряд по «сверхдереву» из баллистического пневматического пистолета. Пять слоев материала смогли остановить пулю, движущуюся со скоростью, которую может развить автомобиль перед столкновением. Посмотреть видео данного эксперимента можно по ссылке.

«Новый способ обработки древесины позволяет сделать её в 12 раз прочнее и в 10 раз более жёсткой. Данный метаматериал вполне может стать конкурентом стали или даже титановых сплавов, ведь он очень прочен, долговечен, но при этом ощутимо дешевле», —утверждает   профессор Лянбинь Ху.

---

«Исцеленная» древесина профессора Орландо Рохаса

В 2022 году свой метод получения сверхпрочного материла из древесных отходов разработали ученые из Университета Британской Колумбии (Канада) под руководством профессора Орландо Рохаса (подробнее можно прочитать по ссылке или посмотреть видео-презентацию).

Предложенная технология заключается в обработке древесины веществом под названием диметилацетамид, в результате чего из нее растворяется лигнин и обнажаются нанофибриллы целлюлозы. Когда два куска дерева, обработанные таким образом, соединяют, их нанофибриллы связываются между собой и образуют материл, во многом превосходящий по механическим свойствам исходную древесину.

«Идея заключается в том, чтобы получить материалы, которые превосходят по своим характеристикам исходное сырье. Мы начинаем с натурального дерева, и после процесса частичного растворения и «заживления» получаем нечто более прочное, чем древесина. Мы называем этот процесс «исцелением», – заявил на презентации Орландо Рохас.

Также автор подчеркнул, что в качестве сырья для «исцеленной» древесины подходят любые древесные отходы (старая мебель, древесные ветки, гнилая древесина и даже опилки), а после эксплуатации ее можно отправлять на вторичную переработку.

---

Российский аналог титана из мискантуса

В свою очередь, российскими ботаниками из Института цитологии и генетики СО РАН была выдвинута идея о производстве органического аналога титана из мискантуса.

Мискантус китайский или веерник китайский (Miscanthus sinensis, Andersson) –  это многолетняя травянистая культура, которая растет в тропических и субтропических регионах мира. Он не прихотлив в выращивании и демонстрирует высокую продуктивность – 11,7–25,3 тонн сухой биомассы с гектара в год. По химическому составу мискантус максимально приближен к древесине и вполне может служить еще одним альтернативным сырьем в создании сверхпрочных органических материалов (см. Рис.7). К тому же низкое содержание лигнина в мискантусе (до 17 %) и его легкая отмываемость слабыми кислотами позволяют существенно упростить и удешевить технологию извлечения целлюлозы (подробнее по ссылке).

«Целлюлоза – это базовое сырье, как сталь или уголь, которое можно использовать в различных областях. В частности, мы можем выжечь из целлюлозы кислород и водород, тогда у нас останется углеродное волокно. Из него уже можно сделать, например, крыло самолета, – объяснил «Газете.Ru» заместитель по инновационной деятельности Института цитологии и генетики СО РАН Петр Куценогий. – Недружественные России страны пытаются нас отрезать от целлюлозы. Основным источником целлюлозы для нас был хлопок, а второй источник – бамбук. Мы хотели его покупать в Бразилии, но нам мешают. Поэтому важно найти альтернативные источники сырья» (подробнее по ссылке)

Российским ученым уже удалось получить собственные технические сорта этого растения, которые демонстрируют высокую адаптивность под климатические условия нашей страны: «Сорановский» (вида Sinensis) прекрасно растет в Сибири, а «Камис», «Фортис» и «Верум» (все три — вида Giganteus, или гигантский) – в Центральной полосе.  

«Сорановский» мискантус имеет мягкие, тонкие стебли и растет «полотном», а у гигантского они плотные и жесткие и растет он кустом (см. Рис. 9).

Данные гибриды размножаются ризомами – корневыми розетками, их семена бесплодны, а значит, распространение их за пределами плантации сводится к минимуму. Хотя «Сорановский», оказавшись в более теплых регионах, все же может показать инвазивность, так как имеет длинные корни, удалить которые из земли крайне сложно. Мискантус гигантский легко удаляется, так как имеет строго ограниченный диаметр корней-ризом.

Также имеются некоторые отличия в химическом составе сортов и, как следствие, в технологиях их переработки (см. Рис. 10).

С каждым годом питомников мискантуса в России становится все больше, а сферы его использования в промышленности – все шире: от изготовления биоразлагаемой посуды до производства «зеленого» бетона, лакокрасочных изделий, биотоплива и даже вискозной ткани. Теперь же перед учеными стоит новая цель – получение сверхпрочного материала из мискантуса, который мог бы заменить титан в корпусах самолетов и автомобилей.  

 «Потенциально о замене титана в самолето- и автомобилестроении на органические материалы говорят давно. Теоретически этого можно добиться с помощью мискантуса. Но это перспективное направление. Сейчас реальнее целлюлозу (целлюлозу из мискантуса – прим. авторов) переработать в различные виды топлива, например, этанол, а дальше в пластмассы биодеградируемые», – заявил директор Ботанического сада МГУ Владимир Чуб (подробнее по ссылке).

Если ученым удастся осуществить задуманное, то использование материалов из мискантуса в качестве альтернативы для титана позволит снизить на 8% мировые выбросы углекислого газа и сохранить лесные ресурсы.

Верим в гениальность и трудолюбие наших ученых, ждем новых успехов и тогда фраза «самолет из мискантуса» из броского заголовка станет обыденной реальностью.

Авторы статьи – Елена Анисимова, Любовь Лукина