Новые свойства старого материала

Первым материалом, который стал использоваться человечеством, было, конечно же, дерево. Орудия труда и охотничье снаряжение — палки-копалки, копья, луки и стрелы — делались из дерева, и далеко не всегда нашим предкам удавалось модернизировать эти «приборы» каменными наконечниками. Каменный век было бы справедливее назвать «деревянным веком», но время не пощадило деревянные изделия наших предков, оставив нам на память только камни.

Казалось бы, за десятки тысяч лет человечество должно было полностью установить все свойства древесины и не ждать от нее чего-то необычного. Однако и старый материал можно заставить открыться с неизвестной ранее стороны: группе Лянбина Ху из Мэрилендского университета удалось превратить древесину сначала в «пуленепробиваемый», а потом и в «несгораемый» материал. И того и другого удалось добиться с помощью различных типов химической обработки.

Во-первых, в феврале 2018 года исследователи сообщили, что им удалось создать уплотненную древесину, которая в десять раз прочнее обычной [1].

Сверхпрочную уплотненную древесину удалось получить с помощью двухстадийного процесса. На первом этапе проводилась варка — кипячение древесины в растворе, содержащем гидроксид и сульфит натрия. На этой стадии происходило частичное разрушение двух структурных компонентов древесины — лигнина и гемицеллюлозы. Обычно с помощью такой варки из древесных опилок или другого растительного сырья извлекают чистую целлюлозу, однако Ху с коллегами свою древесину не измельчали. После варки, на второй стадии вываренную древесину подвергали прессовке при температуре 100°C — это позволяло уплотнить материал и добиться регулярной ориентации нановолокон целлюлозы, соединенных друг с другом водородными связями. В результате обработки древесина теряла 80% от своей толщины, но полученный спрессованный материал оказался в десять раз прочнее древесины. По словам Ху, уплотненная древесина не только прочна как сталь, но легче ее в семь-восемь раз. Удельная прочность нового материала выше, чем почти у всех известных металлов и сплавов, включая легкие титановые сплавы.

Проверив новый материал на баллистическом испытательном стенде, исследователи показали, что пять слоев уплотненной древесины (толщина каждого слоя составляет 3 мм) не могут быть пробиты насквозь стальной пулей, кинетическая энергия которой эквивалентна энергии пистолетной пули. По словам исследователей, определенная опытным путем прочность нового материала не говорит о перспективе создания деревянной брони, но такие свойства позволят использовать уплотненную древесину для создания легких и прочных корпусов автомобилей, экологически чистых зданий и износостойкой мебели.

Во-вторых, дальнейшие исследования уплотненной древесины преподнесли Ху еще один приятный сюрприз. Он выяснил, что вышедшему из его лаборатории материалу без особой сложности можно придать и еще одно ценное для древесины свойство — огнестойкость, о чем было сообщено уже в марте 2019 года [2]. Оказалось, что при обжиге на поверхности сверхплотной древесины образуется защитный слой нагара, который делает материал огнестойким.

Огнестойкая древесина, наверное, мечта всех строителей деревянных домов на протяжении всей истории человечества: известно огромное количество случаев, когда города, в которых основные постройки были деревянными, быстро сгорали от случайной (или не очень) искры. В наше время известны способы химической обработки, которые позволяют сделать дерево огнестойким. Как правило, они сводятся к пропитке древесины хлорсодержащими замедлителями горения, что, во-первых, дорого, а во-вторых, многие из веществ, которые применяются как замедлители горения, могут быть токсичными для человека или опасными для окружающей среды. В ряде случаев пропитка древесины замедлителями горения приводит к тому, что прочность пропитанного материала значительно снижается.

Способ придания древесине огнестойкости, который обнаружил Ху, не только не требует токсичных и дорогих реагентов. Плотный защитный слой древесного угля, сформировавшийся на обожженной уплотненной древесине, не влияет на ее механические свойства.

Ху заявляет, что образование огнезащитной поверхности замедляет время возгорания уплотненной древесины в три раза. Более того, замедляется не только время возгорания нового материала — даже загоревшись, он теряет свою прочность гораздо медленнее, чем объятая огнем обычная древесина. Таким образом, при использовании материала, разработанного Ху, здания будут медленнее загораться и медленнее обрушаться, давая людям драгоценное время для безопасной эвакуации.

Эксперты по древесине и другим целлюлозосодержащим материалам в целом высоко оценивают работы химиков из Мэриленда, но при этом отмечают, что до применения новинки необходимо провести дополнительные исследования. Многих удивляет то, что древесина после удаления лигнина становится менее огнеопасной — лигнин наименее воспламеняемый компонент древесины, и повышение огнестойкости через делигнификацию едва ли можно назвать традиционным подходом к обработке древесины. Возможно, причиной повышения огнестойкости является уменьшения количества пор и увеличение плотности, но, по мнению некоторых, таких же результатов можно добиться от древесины с помощью более традиционных подходов.

Других специалистов интересует вопрос стоимости масштабного производства уплотненной древесины — не будет ли проще и дешевле использовать на практике не спрессованную древесину, а композитные материалы, технологии производства которых хорошо отработаны. Ху и его сторонники уверяют, что их метод не так уж дорог, поскольку разработанный подход к уплотнению можно применить к любой древесине, не обязательно дорогих и прочных сортов. В любом случае, глядя на результаты исследования, мы справедливо можем сказать, что даже такой привычный материал, как древесина, может приготовить химикам и материаловедам приятные сюрпризы.

Аркадий Курамшин,
канд. хим. наук, доцент Химического института КФУ

1. Hu L. et al. Processing bulk natural wood into a high-performance structural material // Nature. 2018. V. 554. P. 224–228; DOI: 10.1038/nature25476

2. Hu L. et al. Dense, Self-Formed Char Layer Enables a Fire-Retardant Wood Structural Material // Adv. Funct. Mater. 2019, 1807444; DOI: 10.1002/adfm.201807444