W czasach, gdy świat szuka materiałów bardziej zrównoważonych, biodegradowalnych i opartych na odnawialnych źródłach, drewno powraca do łask – tym razem nie jako ozdobny dodatek, lecz jako potencjalna alternatywa dla stali i betonu. W nowatorskim badaniu opublikowanym w czasopiśmie ACS Applied Materials and Interfaces, naukowcy z Florida Atlantic University (FAU), wspólnie z kolegami z University of Miami i Oak Ridge National Laboratory, zaprezentowali przełomową metodę wzmacniania drewna nanocząstkami żelaza.
Czytaj też: Przezroczyste drewno już wkrótce może pojawić się w Twoim domu. Jak to możliwe?
Badacze skupili się na lignocelulozie – naturalnym, złożonym związku organicznym występującym w drewnie i wielu roślinach, który można modyfikować chemicznie w celu poprawy właściwości mechanicznych. Lignoceluloza, obficie występująca w czerwonym dębie i innych twardych gatunkach drzew liściastych, stanowi kluczowy element globalnego potencjału odnawialnych surowców – szacuje się, że na świecie każdego roku powstaje ponad 181 miliardów ton drewna.
Drewno jak stal
W badaniu wykorzystano czerwony dąb – typowy przedstawiciel tzw. drewna pierścieniowonaczyniowego, który dzięki obecności dużych naczyń przewodzących wodę z korzeni do liści nadaje się idealnie do impregnacji. Naukowcy wprowadzili do drewna związek żelaza o nazwie ferryhydryt, powstały poprzez zmieszanie azotanu żelaza(III) z wodorotlenkiem potasu. Ferryhydryt to nanokrystaliczny minerał tlenku żelaza, który naturalnie występuje w glebie i wodzie.
Czytaj też: Klej nie jest potrzebny. Drewno i metal łączone w niesamowity sposób
Za pomocą procesu impregnacji próżniowej nanocząstki zostały precyzyjnie rozmieszczone wewnątrz ścian komórkowych drewna. Ta precyzyjna modyfikacja struktury mikroskopowej doprowadziła do znacznego zwiększenia sztywności (o 260,5 proc.) i twardości (o 127 proc.) materiału – bez zauważalnego wzrostu jego masy. Co ważne, choć struktura komórek uległa wzmocnieniu, zachowanie drewna w skali makroskopowej – sposób, w jaki się wygina czy łamie – pozostało podobne jak w przypadku próbki niezmodyfikowanej. Naukowcy tłumaczą to możliwym osłabieniem połączeń międzykomórkowych, które nie zostały wzmocnione w trakcie procesu.
Zespół badawczy przeprowadził szeroko zakrojone testy, by sprawdzić efekty działania ferryhydrytu w strukturze drewna. Na poziomie nanometrycznym użyto mikroskopii sił atomowych (AFM) z zastosowaniem techniki AM-FM (Amplitude Modulation – Frequency Modulation), pozwalającej na jednoczesne tworzenie precyzyjnych obrazów powierzchni i pomiar sprężystości oraz adhezji. Dzięki temu badacze mogli z dokładnością nanometrów zobaczyć, jak zmieniają się właściwości mechaniczne ścian komórkowych.
Równolegle zastosowano testy w mikroskopie elektronowym (SEM), w których mikroskopijne sondy były wciskane w strukturę drewna, mierząc jego odporność na działanie sił punktowych. Dodatkowo przeprowadzono tradycyjne testy wytrzymałościowe na próbkach drewna poddanych zginaniu, co pozwoliło ocenić trwałość materiału w warunkach rzeczywistego obciążenia.
Asystentka prof. Vivian Merk, główna autorka badania i ekspertka związana z trzema wydziałami FAU – inżynierii oceanicznej i mechanicznej, inżynierii biomedycznej oraz chemii – podkreśla znaczenie tej wszechstronności badawczej:
Drewno, jak wiele materiałów naturalnych, ma złożoną strukturę, złożoną z wielu warstw i detali na różnych skalach. Aby zrozumieć, jak przenosi obciążenia i w jakich okolicznościach ulega zniszczeniu, musimy analizować je na wszystkich tych poziomach jednocześnie.
Nowy materiał budowlany stworzony przez FAU ma szansę znaleźć szerokie zastosowanie – od mebli i podłóg po elementy konstrukcyjne mostów i budynków wysokich. Ferryhydryt, jako nietoksyczny i występujący w środowisku minerał, nie tylko nie szkodzi przyrodzie, ale również nie generuje ryzyka przy utylizacji. Cały proces jest prosty chemicznie, tani, a jednocześnie wyjątkowo skuteczny.
Dr Stella Batalama, dziekan College of Engineering and Computer Science, zwraca uwagę na potencjalny wpływ tego odkrycia na całą gospodarkę materiałową:
To istotny krok naprzód w kierunku zrównoważonego budownictwa. Dzięki zbrojeniu drewna przy użyciu bezpiecznych dla środowiska i niedrogich metod, nasi naukowcy tworzą podwaliny pod nową generację materiałów bioinspirowanych, które mogą zastąpić stal i beton. Efekty tej pracy wykraczają poza inżynierię – wspierają globalne wysiłki w zakresie redukcji emisji CO2, ograniczenia odpadów i rozwoju rozwiązań inspirowanych naturą.
Potencjał drewna wzmacnianego nanokryształami żelaza jest ogromny. Choć to dopiero początek tej technologii, jej konsekwencje mogą okazać się rewolucyjne – szczególnie w epoce rosnących kosztów energetycznych, napięć związanych z klimatem i potrzeby ograniczenia zużycia betonu, który odpowiada za około 8 proc. światowej emisji CO2. Materiał, który jest odnawialny, lekki, tani, odporny i jednocześnie przyjazny środowisku, może stać się nie tylko innowacją – ale nowym standardem.