Веками дерево ценилось за эстетическую привлекательность и выдающуюся механическую стойкость. Сегодня его структурные особенности дали учёным ключ к созданию инновационного углеродного материала, способного составить конкуренцию стали по прочностным характеристикам.
Группа специалистов из Университета Торонто выявила уникальный потенциал биоугля — продукта карбонизации древесины. Эксперименты показали: при определённых условиях этот материал демонстрирует твёрдость, сопоставимую с показателями низкоуглеродистой стали — но лишь при измерении в строго заданном направлении.
Ключевые открытия исследования
Анализ выявил поразительную особенность: твёрдость биоугля варьируется более чем в 28 раз в зависимости от вектора приложения нагрузки. Этот феномен напрямую связан с анизотропной структурой исходной древесины, которая сохраняется в процессе карбонизации.
Перспективы применения такого материала грандиозны: он может стать основой экологичных решений в энергетике, системах фильтрации и строительстве, открыв новую главу в развитии «зелёных» технологий.
Что такое биоуголь?
Этот углеродсодержащий твёрдый продукт образуется при термической обработке биомассы в бескислородной среде. Традиционно его используют для:
- рекультивации почв;
- сорбции загрязняющих веществ.
Однако механические свойства биоугля до недавнего времени оставались малоизученными. Нынешнее исследование радикально меняет представление о нём, превращая из почвенного кондиционера в перспективный конструкционный материал.
Методика и объекты исследования
Учёные сосредоточились на монолитных образцах биоугля — цельных фрагментах обуглённой древесины, сохранивших природную архитектонику волокон и пор. Именно эта структура, как выяснилось, обеспечивает уникальные прочностные характеристики.
Под руководством профессора Чарльза Цзя (Лаборатория зелёных технологий) команда протестировала образцы из семи пород:
- клён;
- сосна;
- бамбук;
- африканское железное дерево;
- тсуга и др.
Эксперимент включал нагрев материала в диапазоне 600−1000 ∘
C. Результаты показали, что итоговая прочность определяется двумя факторами:
- температурой обработки;
- видовой принадлежностью древесины.
Результаты испытаний
- Африканское железное дерево: достигнуто значение осевой твёрдости 2,25 ГПа — на уровне низкоуглеродистой стали.
- Тсуга: выявлен рекордный коэффициент анизотропии — твёрдость вдоль волокон превысила поперечный показатель в 28,5 раз.
Для детального анализа применялись методы микро‑ и наноиндентирования. Они позволили установить:
- На наноуровне твёрдость всех образцов практически идентична, что указывает на универсальность свойств клеточных стенок.
- Анизотропия обусловлена не столько углеродной матрицей, сколько сложной пористой архитектурой древесины.
Закономерности и возможности управления свойствами
Исследование выявило чёткую корреляцию между тремя параметрами:
- твёрдостью;
- насыпной плотностью;
- содержанием углерода.
Экспериментально подтверждено: повышение плотности и углеродного содержания усиливает сопротивление материала деформации. Это открывает путь к целенаправленной настройке характеристик биоугля через:
- подбор исходного сырья;
- оптимизацию условий пиролиза.
Таким образом, работа не только раскрывает потенциал биоугля как конструкционного материала, но и предлагает методологию для создания углеродных композитов с заданными свойствами на основе природных прототипов.