Wetenschappers hebben kunsthout gemaakt van synthetische harsen die, hoewel ze natuurlijk hout nabootsen, verbeterde eigenschappen vertonen voor multifunctioneel gebruik
Hout is een organisch vezelig weefsel gevonden in bomen, struiken en heesters. Hout kan het meest bruikbare en misschien wel het meest veelzijdige materiaal worden genoemd vliegtuig Aarde. Het wordt al duizenden jaren voor meerdere doeleinden gebruikt en staat bekend om zijn lage dichtheid en hoge sterkte. De unieke anisotrope celstructuur (dwz verschillende eigenschappen in verschillende richtingen) van hout geeft het verbazingwekkende mechanische eigenschappen en maakt het sterk, stijf maar toch licht en flexibel. Hout heeft een hoge druksterkte en een lage treksterkte. Hout is milieu- en kostenvriendelijk, supersterk, duurzaam en gaat lang mee. Hout kan voor alles worden gebruikt, van het maken van papier tot het bouwen van huizen.
De natuur heeft ons al geweldige materialen zoals hout gegeven. Toch is er altijd een inspiratie rond de natuur voor ons om hoogwaardige biomimetische technische materialen te ontwerpen en te ontwikkelen, materialen die de verbazingwekkende eigenschappen van biomaterialen die al in de natuur worden aangetroffen, kunnen 'nabootsen'. Het unieke van hout komt van de anisotrope celstructuur, de lage dichtheid en de hoge sterkte. In het recente verleden hebben wetenschappers geprobeerd materialen te ontwerpen die rekening houden met dit concept in een poging om eigenschappen van hout zoals hoge sterkte en lichtgewicht te dupliceren. Het meeste onderzoek heeft echter tot onbevredigende resultaten geleid, omdat de ontworpen materialen aan de ene of de andere fout leden. Het blijft nog steeds een grote uitdaging voor ingenieurs om te bouwen kunstmatig houtachtige materialen. Dit is van groot belang omdat het tientallen jaren duurt om natuurlijk hout te kweken en tijd en efficiëntie zijn een sterk criterium bij het maken van een materiaal dat lijkt op natuurlijk hout.
Bio-geïnspireerd hout
Onderzoekers van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China hebben een nieuwe strategie bedacht voor de fabricage van bio-geïnspireerde kunstmatige polymeren hout op grote schaal. Dit kunstmatige materiaal heeft een houtachtige cellulaire microstructuur, goede beheersbaarheid in microstructuren en zou eigenschappen zoals lichtgewicht en hoge sterkte vertonen, analoog aan de mechanische eigenschappen van natuurlijk hout. Onderzoekers stellen dat dit nieuwe materiaal net zo sterk is als natuurlijk hout, in tegenstelling tot andere bewerkte houtsoorten die tot op heden zijn onderzocht.
Hout dat in de natuur wordt gevonden, bevat een natuurlijk polymeer, lignine genaamd, dat verantwoordelijk is voor het sterk maken van het hout. Lignine bindt kleine kristallieten van cellulose samen in een gaasachtige structuur om een hoge sterkte te creëren. Onderzoekers dachten aan het repliceren van lignine door een synthetisch polymeer te gebruiken, resol genaamd, dat vergelijkbare eigenschappen heeft. Ze hebben met succes traditioneel beschikbare resols (fenolhars en melaminehars) omgezet in kunsthout als materiaal. De omzetting werd bereikt door eerst gebruik te maken van de zelf-assemblerende eigenschappen van het polymeer-resol en vervolgens door ze te laten uitharden. Om zelfassemblage te bereiken, werden vloeibare thermostaatharsen in één richting bevroren en vervolgens uitgehard (vernet of gepolymeriseerd) bij temperaturen van niet meer dan 200 graden Celsius. Het geproduceerde bewerkte hout heeft een celachtige structuur die sterk lijkt op die van natuurlijk hout. Vervolgens werd thermoharding - een proces dat bestaat uit door temperatuur geïnduceerde chemische verandering (hier, polymerisatie) in resol - uitgevoerd om kunstmatige polymere houtsoorten te produceren. De poriegrootte en wanddikte van een dergelijk materiaal kan handmatig worden geregeld. Niet alleen dat, de kristallieten die resol maakt, kunnen ook worden gewijzigd op basis van de behoefte van de houtsoort. De kleur kan ook worden gewijzigd door de kristallieten die resol bij elkaar houden toe te voegen of te verwisselen. Wanneer dit bewerkte hout wordt samengeperst, vertoont het een weerstand die vergelijkbaar is met zijn natuurlijke tegenhanger. De in de studie beschreven aanpak kan ook worden aangeduid als een groene aanpak om kunstmatige houtsoorten te maken waarin compost van nanomaterialen zoals cellulose-nanovezels en grafeenoxide kan worden gebruikt.
Interessant is dat geconstrueerd kunsthout een betere corrosieweerstand tegen water en zuur vertoont in vergelijking met natuurlijk hout, terwijl aangenomen wordt dat de mechanische eigenschappen niet afnemen. Dit betekent dat kunsthout bestand is tegen extreme weersomstandigheden en beter beschermd zou zijn. Het vertoont ook een betere thermische isolatie en verbeterde weerstand tegen vuur en zou niet gemakkelijk vlam vatten zoals natuurlijk hout, vooral omdat resol brandvertragend is. Dit kan een zegen zijn voor sectoren zoals productie en bouw, met name woongebouwen die vlam vatten wanneer ze met natuurlijk hout worden gebouwd. Het materiaal is bij uitstek geschikt voor zware en ruwe omgevingen, omdat het behoorlijk verbeterd is in vergelijking met natuurlijk hout. Het is uniek in vergelijking met standaard technische materialen zoals celkeramiek en aerogels met betrekking tot sterkte en thermische isolatie-eigenschappen. Het is ook effectiever dan de meeste kunststof-houtcomposieten vanwege de hogere sterkte. Het bewerkte hout heeft nogal wat eigenschappen die het efficiënter maken.
De nieuwe strategie beschreven in deze studie gepubliceerd in Wetenschap Advances biedt nieuwe mogelijkheden om een verscheidenheid aan hoogwaardige biomimetische technische composietmaterialen te fabriceren en te ontwikkelen, die een aanzienlijk voordeel zullen hebben ten opzichte van hun traditionele tegenhangers. Dergelijke nieuwe materialen kunnen brede toepassingen op vele gebieden hebben.
***
{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}
Bron (nen)
Zhi-Long Y al. 2018 Bio-geïnspireerde polymere houtsoorten. Wetenschap Advances. 4 (8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
***
