Исследователи из Университета Торонто выяснили, как скрытая структура древесины может привести к созданию биоугольных материалов, не уступающих по прочности низкоуглеродистой стали. Новое исследование показало, что в зависимости от направления измерения биоуголь может иметь твёрдость, превышающую исходную в 28 раз. Это открывает возможности для создания нового поколения экологичных углеродных материалов для использования в энергетических устройствах, фильтрах и конструкциях.
Биоуголь — богатый углеродом материал, получаемый при нагревании биомассы в бескислородной среде, — уже давно ценится за его экологическую пользу, например за улучшение почвы и очистку от загрязнений. Однако его механические свойства в значительной степени остаются без внимания, что ограничивает его потенциал в инженерных и энергетических технологиях. В новом исследовании, опубликованном в Biochar X, рассматривается, как монолитный биоуголь — цельные блоки обугленной древесины, сохраняющие естественную структуру исходного материала, — может достигать исключительной прочности и долговечности.
Команда под руководством профессора Чарльза Цзя и его коллег из Лаборатории зелёных технологий проанализировала биоуголь, полученный из 7 видов древесины, включая клён, сосну, бамбук и африканское железное дерево. Нагревая образцы при температуре от 600 до 1000 °С, ученые обнаружили, что температура и вид древесины оказывают существенное влияние на твёрдость. Биоуголь из африканского железного дерева достиг осевой твёрдости в 2,25 гигапаскаля, что сопоставимо с твёрдостью низкоуглеродистой стали, в то время как у болиголова наблюдались экстремальные различия в твёрдости в разных направлениях: осевая твёрдость превышала поперечную в 28 раз.
Используя передовые методы микро- и наноиндентирования, исследователи смогли измерить твёрдость как на структурном, так и на микроскопическом уровне. Было обнаружено, что поразительная анизотропия, то есть разница между осевой и поперечной твёрдостью, обусловлена иерархической сетью пор в древесине, а не самим углеродом. На наноуровне твёрдость всех образцов была удивительно однородной, что позволяет предположить, что внутренние свойства клеточных стенок остаются неизменными независимо от вида и направления.
Исследование также выявило сильную корреляцию между твёрдостью, насыпной плотностью и содержанием углерода. Более плотный биоуголь с высоким содержанием углерода лучше сопротивляется деформации. Эта взаимосвязь обеспечивает количественную основу для оптимизации характеристик биоугля путём подбора сырья и условий пиролиза.
«Биоуголь — это не просто экологичный, но и структурный материал, — сказал профессор Цзя. — Сохраняя естественную структуру древесины, мы можем создавать экологичные углеродные материалы с заданными механическими свойствами, подходящими для конкретного промышленного применения».
Потенциальные области применения включают создание высокопрочных электродов для хранения энергии, лёгких углеродных композитов и фильтров для систем очистки окружающей среды. Возможность точной настройки механической анизотропии позволит инженерам адаптировать структуру материала к реальным эксплуатационным требованиям, таким как прочность вдоль одной оси или гибкость вдоль другой.
Это исследование представляет собой первую количественную основу для разработки монолитного биоугля с предсказуемым механическим поведением, что позволяет преодолеть разрыв между материаловедением и углеродной устойчивостью. В нём также показано, как традиционные природные структуры, такие как текстура древесины, могут стать основой для инноваций в углеродных технологиях нового поколения.
[Фото: Qinyi Wang, Yating Ji, Mohana M. Sridharan, Lizhong Lang, Yu Zou, Donald W. Kirk & Charles Q. Jia]