Один из ключевых компонентов — лигноцеллюлоза, которая содержится в древесине и многих растениях. Ее легко добывать, а с помощью химических модификаций можно улучшать ее свойства.

Каждый год в мире производится около 181,5 миллиардов тонн древесины — это один из самых доступных возобновляемых материалов.

Исследователи из Флоридского Атлантического университета вместе с коллегами из Университета Майами и Национальной лаборатории Ок-Ридж решили выяснить: можно ли укрепить клеточные стенки древесины, добавив в них наночастицы твердых минералов, но при этом не сделать ее тяжелее, дороже или вреднее для природы.

Большинство экспериментов с модифицированной древесиной изучали ее свойства только на одном уровне — либо на микро-, либо на макроскопическом. Но никто раньше не пытался усилить всю структуру, внедряя неорганические минералы прямо в клеточные стенки.

Ученые сосредоточились на кольцепоровой древесине — она встречается у широколиственных деревьев: дуба, клена, вишни, ореха. В ней есть крупные сосуды в форме колец, по которым вода поднимается от корней к листьям. Для эксперимента взяли красный дуб, распространенный в Северной Америке, и обработали его соединением железа. Смешав нитрат железа с гидроксидом калия, получили ферригидрит — минерал, который часто встречается в почве и воде.

Результаты исследования, опубликованные в журнале ACS Applied Materials and Interfaces, показали: простой и дешевый химический метод с использованием безопасного минерала (нанокристаллического оксигидроксида железа) делает клеточные стенки древесины прочнее, почти не увеличивая ее вес. Но при этом общие механические свойства — например, как дерево гнется или ломается — почти не изменились. Вероятно, потому, что обработка ослабила связи между клетками, и материал стал вести себя иначе на макроуровне.

Что это значит

• Древесину можно делать прочнее без вреда для экологии.
• В будущем такие материалы смогут заменить сталь и бетон в строительстве.

Дерево — сложный материал, и чтобы понять, как оно выдерживает нагрузки, нужно изучать его на разных уровнях, — объясняет Вивиан Мерк, ведущий автор исследования.

Ученые использовали атомно-силовую микроскопию (АСМ), чтобы измерить жесткость и эластичность клеточных стенок. Также провели наноиндентирование — вдавливали микроскопические зонды в древесину, чтобы оценить ее реакцию на нагрузку. А еще сравнивали, как гнутся обработанные и обычные образцы.

Мы изучили древесину от наноуровня до цельного бруска и теперь лучше понимаем, как улучшать природные материалы, — говорит Мерк.

Это серьезный шаг к экологичному строительству, — добавляет Стелла Баталама, деинженерного колледжа. — Такие технологии помогут сократить выбросы углерода и перейти к устойчивым решениям в архитектуре и инфраструктуре.

Этот эксперимент важен по нескольким причинам:

• Экология — вместо энергоемкого производства стали и бетона можно использовать возобновляемую древесину с улучшенными свойствами.
• Экономика — метод дешевый и масштабируемый, не требует редких материалов.
• Наука — впервые показано, как минералы в клеточных стенках влияют на прочность на разных масштабах. Это открывает путь к созданию композитных материалов нового типа.

Пока есть нюансы: например, ослабление связей между клетками. Но если решить эту проблему, можно получить легкий, прочный и полностью биоразлагаемый строительный материал.

Ранее ученые сообщили, что генно-модифицированая древесина накапливает углерод и сокращает выбросы.