人工木材

科学者たちは、天然木を模倣しながら多機能使用のために改善された特性を示す合成樹脂から人工木を製造しました

木材は、 オーガニック 木、茂み、低木に見られる繊維組織。木材は地球上で最も有用で、おそらく最も用途の広い材料と言えます。 惑星 地球。何千年もの間、多目的に使用されており、その低密度と高強度は非常に注目されています。木材の独特の異方性気泡構造（つまり、異なる方向で異なる特性）により、木材に驚くべき機械的特性が与えられるだけでなく、強くて硬いにもかかわらず、軽くて柔軟です。木材は圧縮強度が高く、引張強度が低い。木材は環境とコストに優しく、非常に強く、耐久性があり、長持ちするため、紙の製造から住宅の建築まで、あらゆるものに使用できます。

自然はすでに木のような素晴らしい素材を私たちに提供してくれました。 それでも、私たちが高性能の生体模倣工学材料を設計および開発するために、自然を中心に展開するインスピレーションが常にあります。これは、自然にすでに見られる生体材料の驚くべき特性を「模倣」できるものです。 木材の独自性は、その異方性のセル構造と低密度および高強度に由来します。 最近、科学者たちは、高強度や軽量性などの木材の特性を再現するために、この概念を考慮して材料を設計しようと試みてきました。 しかし、設計された材料がいずれかの欠陥に悩まされていたため、ほとんどの研究は満足のいく結果をもたらしませんでした。 エンジニアが構築することは依然として大きな課題です 人工の 木のような素材。 天然木を育てるには数十年かかり、天然木に似た素材を作るには時間と効率が強い基準となるため、これは非常に重要です。

バイオインスパイアードウッド

中国科学技術大学の研究者は、バイオインスパイアード人工高分子の製造のための新しい戦略を考案しました 木材 大きなスケールで見ると。 この人工材料は、木材のような気泡の微細構造、微細構造の優れた制御性を備えており、天然木の機械的特性に類似した軽量性や高強度などの特性を示します。 研究者は、この新しい材料は、これまでに研究された他の集成材とは異なり、天然木と同じくらい強いと述べています。

自然界に見られる木材には、リグニンと呼ばれる天然高分子が含まれており、木材を丈夫にする役割を果たします。 リグニンは、セルロースの小さな結晶子をメッシュ状の構造に結合して、高強度を生み出します。 研究者たちは、同様の特性を持つレゾールと呼ばれる合成ポリマーを使用してリグニンを複製することを考えました。 彼らは、従来入手可能なレゾール（フェノール樹脂とメラミン樹脂）を次のように変換することに成功しました。 人工木材 材料のように。 変換は、最初にポリマーレゾールの自己組織化特性を利用し、次にそれらを硬化させることによって達成された。 自己組織化を実現するために、液体サーモスタット樹脂を一方向に凍結し、200℃以下の温度で硬化（架橋または重合）しました。 生産された集成材は、天然木によく似たセル状の構造を採用しています。 続いて、熱硬化（レゾールの温度による化学変化（ここでは重合）からなるプロセス）を実行して、人工高分子木材を製造しました。 このような材料の細孔径と肉厚は手動で制御できます。 それだけでなく、レゾルが作る結晶子も、木材の種類の要件に基づいて変更することができます。 レゾールを一緒に保持する微結晶を追加または切り替えることによって、色を変更することもできます。 この集成材を圧縮すると、天然の木材と同様の抵抗を示します。 この研究で説明されているアプローチは、セルロースナノファイバーや酸化グラフェンなどのナノ材料の堆肥を使用できる人工木材を準備するためのグリーンアプローチとも呼ばれます。

興味深いことに、集成材は、その機械的特性の低下がないと仮定しながら、天然木と比較して水と酸に対してより優れた耐食性を示します。 これは、人工木材が異常気象に耐えることができ、保護を提供する上で改善されることを意味します。 また、断熱性と耐火性が向上し、主にレゾールが難燃性であるため、天然木のように簡単に発火しません。 これは、製造業や建設業、特に天然木を使用して建設されたときに発火する住宅のような分野に恩恵をもたらす可能性があります。 この素材は、天然木と比較して非常に強化されているため、過酷で過酷な環境に最適です。 セルラーセラミックやエアロゲルなどの標準的なエンジニアリング材料と比較すると、強度と断熱性の点で独特です。 また、強度が高いため、ほとんどのプラスチック-木材複合材よりも効果的です。 集成材には非常に多くの特性があり、より効率的になります。

この研究で説明されている新しい戦略は、 科学の進歩 さまざまな高性能バイオミメティックエンジニアリング複合材料を製造および設計するための新しい手段を提供します。これは、従来の対応物に比べていくつかの重要な利点があります。 このような新しい材料は、多くの分野で幅広い用途があります。

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ソース

Zhi-Long Y atal。 2018バイオインスパイアードポリマーウッド。 科学の進歩。 4（8）。
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223

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