وقتی چوب قدرت فولاد را به چالش می‌کشد

ذغال زیستی به قدرتی مشابه فولاد دست یافته و اثبات کرده که ساختارهای طبیعی می‌توانند الهام‌بخش طراحی و پیشرفت مواد کربنی نسل آینده باشند.

به گزارش تک‌ناک، چوب که همواره به دلیل زیبایی و استحکام طبیعی‌اش مورد تحسین بوده است، اکنون الهام‌بخش تولید ماده‌ای کربنی شده که قادر است با فولاد رقابت کند.

پژوهشگران دانشگاه تورنتو نشان داده‌اند که ذغال زیستی حاصل از چوب، در صورت اندازه‌گیری در جهت مناسب، می‌تواند سختی‌ای معادل فولاد نرم داشته باشد. مطالعه جدید بیان می‌کند که جهت آزمایش ذغال زیستی می‌تواند سختی آن را تا بیش از بیست و هشت برابر تغییر دهد و این امر نشان‌دهنده تاثیر ساختار داخلی چوب بر عملکرد مواد کربنی است. این کشف می‌تواند نویددهنده آغاز عصری تازه در زمینه مواد کربنی پایدار برای دستگاه‌های انرژی، فیلترها و سازه‌ها باشد.

ذغال زیستی، جامد کربن‌دار تولیدشده از حرارت‌دهی زیست‌توده بدون اکسیژن، پیش‌تر به‌خاطر بهبود خاک و پاکسازی آلودگی‌ها ارزشمند بود، اما توانمندی مکانیکی آن تا کنون کمتر مورد بررسی قرار گرفته بود. این پژوهش دیدگاه پیشین را تغییر داده و ذغال زیستی را نه تنها به عنوان ماده‌ای دوستدار محیط‌زیست، بلکه به عنوان یک بلوک سازه‌ای برای مهندسی سبز آینده معرفی می‌کند. مطالعه بر ذغال زیستی یک‌تکه تمرکز دارد؛ بلوک‌های جامد چوب کربنی‌شده که ساختار دانه و منافذ اصلی چوب را حفظ می‌کنند. پژوهشگران دریافته‌اند که این ساختارها عامل اصلی استحکام چشمگیر و سختی جهت‌دار ذغال هستند.

الگوی طبیعت برای کربن

تیم پژوهشی به رهبری پروفسور چارلز جیا در آزمایشگاه فناوری سبز، ذغال زیستی را از هفت گونه چوب از جمله افرا، کاج، بامبو و چوب آهن آفریقایی مورد آزمایش قرار داد. نمونه‌ها در دمای ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتی‌گراد حرارت داده شدند و مشخص شد که هر دو عامل دما و نوع چوب تاثیر بسزایی بر استحکام دارند. ذغال زیستی چوب آهن آفریقایی به سختی محوری ۲.۲۵ گیگاپاسکال دست یافت که معادل فولاد نرم است.

در سوی دیگر، هملاک تفاوت‌های جهت‌دار شدیدی از خود نشان داد؛ سختی در راستای دانه ۲۸.۵ برابر بیشتر از سختی عرضی آن بود. با استفاده از ابزارهای میکرو و نانو-ایندنتیشن، تیم سختی را در مقیاس‌های متعدد اندازه‌گیری کرد و دریافت که این رفتار جهت‌مند چشمگیر ناشی از خود کربن نیست، بلکه از شبکه پیچیده منافذ چوب سرچشمه می‌گیرد. در مقیاس نانو، سختی تمامی نمونه‌ها تقریبا یکسان بود، که نشان می‌دهد خواص دیواره سلولی در گونه‌ها و جهت‌های مختلف یکسان باقی می‌ماند.

ذغال زیستی؛ از زباله تا ماده‌ای شگفت‌انگیز

محققان رابطه قوی میان سختی، چگالی کل و میزان کربن را شناسایی کردند؛ ذغال زیستی متراکم‌تر و با درصد کربن بالاتر، مقاومت بیشتری در برابر تغییر شکل نشان داد و این موضوع راهنمایی برای تنظیم عملکرد با انتخاب مواد اولیه و شرایط پیرولیز فراهم می‌کند.

پروفسور جیا اظهار داشت: «این یافته‌ها نشان می‌دهد که ذغال زیستی تنها یک ماده محیط‌زیستی نیست، بلکه یک ماده ساختاری نیز محسوب می‌شود.» وی افزود: «با حفظ معماری طبیعی چوب، می‌توانیم مواد کربنی پایدار با خواص مکانیکی هدفمند طراحی کنیم که مناسب کاربردهای صنعتی مشخص باشند.»
کاربردهای بالقوه شامل الکترودهای با استحکام بالا در سیستم‌های انرژی، کامپوزیت‌های سبک و فیلترهای جریان جهت‌دار است. مهندسان قادر خواهند بود موادی طراحی کنند که در یک جهت سخت و در جهت دیگر انعطاف‌پذیر باشند، شبیه عملکرد طبیعی چوب. این مطالعه با رمزگشایی ساختار پنهان چوب، نخستین چارچوب کمی برای طراحی ذغال زیستی یکپارچه با رفتار مکانیکی پیش‌بینی‌شده را ارائه می‌دهد و دنیای علم مواد و پایداری را به هم متصل می‌کند.

این تحقیق در مجله Biochar X منتشر شده است.

نوشته وقتی چوب قدرت فولاد را به چالش می‌کشد اولین بار در Technoc. پدیدار شد.