فناوری جدید، چوب را به رقیب فولاد تبدیل کرد! / بیوچار پایدار با قدرت فلز

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، چوب که مدت‌ها به خاطر زیبایی طبیعی و استحکامش مورد تحسین قرار می‌گرفت، اکنون الهام‌بخش یک ماده کربنی شده است که به اندازه کافی سخت است تا با فولاد رقابت کند.

محققان دانشگاه تورنتو کشف کرده‌اند که بیوچار مشتق شده از چوب، در صورت اندازه‌گیری در جهت صحیح، می‌تواند به سطوح سختی قابل مقایسه با فولاد نرم دست یابد.

مطالعه جدید آنها نشان می‌دهد که جهت آزمایش بیوچار می‌تواند سختی آن را بیش از بیست و هشت برابر تغییر دهد و این نشان می‌دهد که چگونه ساختار داخلی چوب بر عملکرد مواد کربنیزه شده تأثیر می‌گذارد.

این یافته می‌تواند آغازگر دوران جدیدی از مواد کربنی پایدار برای دستگاه‌های انرژی، فیلتر‌ها و سیستم‌های سازه‌ای باشد.

بیوچار، یک جامد غنی از کربن که با حرارت دادن زیست‌توده بدون اکسیژن تولید می‌شود، معمولاً برای بهبود خاک و پاکسازی آلاینده‌ها مورد توجه بوده است.

اما پتانسیل مکانیکی آن تا حد زیادی ناشناخته مانده است. این تحقیق این فرض را کاملاً برعکس می‌کند و بیوچار را نه تنها به عنوان یک ماده زیست‌محیطی، بلکه به عنوان یک بلوک سازنده آینده برای مهندسی سبز معرفی می‌کند.

این مطالعه بر روی بیوچار یکپارچه، بلوک‌های جامد چوب کربنیزه شده که ساختار اصلی دانه‌ها و منافذ چوب را حفظ می‌کنند، تمرکز دارد. محققان دریافتند که این ساختار‌ها کلید استحکام قابل توجه و سختی جهت‌دار آن هستند.

طرح طبیعت برای کربن

این تیم به رهبری پروفسور چارلز جیا در آزمایشگاه فناوری سبز، بیوچار حاصل از هفت گونه چوب، از جمله افرا، کاج، بامبو و چوب آهن آفریقایی را آزمایش کردند.

نمونه‌ها بین ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد حرارت داده شدند، که هم دما و هم نوع چوب نقش اصلی را در تعیین مقاومت ایفا می‌کردند.

بیوچار چوب آهن آفریقایی به سختی محوری ۲.۲۵ گیگاپاسکال رسید که با فولاد نرم برابری می‌کند. از سوی دیگر، شوکران تفاوت‌های جهتی شدیدی نشان داد، به طوری که سختی در امتداد دانه ۲۸.۵ برابر بیشتر از سختی در عرض آن بود.

این تیم با استفاده از ابزار‌های میکرو و نانو-فرورفتگی، سختی را در مقیاس‌های مختلف اندازه‌گیری کردند. آنها کشف کردند که این ناهمسانگردی قابل توجه یا رفتار وابسته به جهت، نه از خود کربن، بلکه از شبکه منافذ پیچیده چوب سرچشمه می‌گیرد.

در مقیاس نانو، سختی تمام نمونه‌ها تقریباً یکسان بود، که نشان می‌دهد خواص دیواره سلولی در گونه‌ها و جهات مختلف ثابت می‌ماند.

از زباله تا مواد شگفت‌انگیز

محققان همچنین همبستگی قوی بین سختی، چگالی حجمی و محتوای کربن یافتند. بیوچار متراکم‌تر با کسر کربن بالاتر، در برابر تغییر شکل مقاوم‌تر بود و نقشه راهی برای تنظیم عملکرد از طریق انتخاب مواد اولیه و شرایط پیرولیز ارائه می‌دهد.

پروفسور جیا گفت: «این یافته‌ها نشان می‌دهد که بیوچار فقط یک ماده زیست‌محیطی نیست، بلکه یک ماده ساختاری است.

«با حفظ معماری طبیعی چوب، می‌توانیم مواد کربنی پایدار با خواص مکانیکی هدفمند و مناسب برای کاربرد‌های صنعتی خاص طراحی کنیم.

کاربرد‌های احتمالی از الکترود‌های با استحکام بالا در سیستم‌های انرژی گرفته تا کامپوزیت‌های سبک و فیلتر‌های جریان جهت‌دار را شامل می‌شود.

مهندسان می‌توانند به طور بالقوه موادی را طراحی کنند که از یک جهت سفت و از جهت دیگر انعطاف‌پذیر باشند و عملکرد چوب طبیعی را منعکس کنند.

این مطالعه با رمزگشایی از معماری پنهان چوب، اولین چارچوب کمی را برای طراحی بیوچار یکپارچه با رفتار مکانیکی قابل پیش‌بینی ارائه می‌دهد و دنیای علم مواد و پایداری را به هم پیوند می‌دهد.

این تحقیق در مجله Biochar X منتشر شده است.