"Нанодревесина" обещает перевернуть мир теплоизоляции
Управление теплом – одна из важнейших задач в технике, градостроительстве и других областях нашей жизни. Современные теплоизоляционные материалы зачастую дороги и не могут похвастаться биоразлагаемостью. Поэтому одной из приоритетных задач в этом направлении по-прежнему остаётся удешевление и повышение экологичности материалов.
Новое решение было предложено командой инженеров во главе с Лянбин Ху (Liangbing Hu) и Тянь Ли (Tian Li) из Мэрилендского университета в Колледж-Парке. Они взяли древесину американской липы и превратили её в теплоизоляционный наноматериал с уникальными свойствами. Разработка получила название "нанодревесина".
Процесс производства нового материала очень похож на получение бумаги. Основная задача технологии – полное избавление от лигнина и гемицеллюлозы, которые обеспечивают цвет и твёрдость древесины, а также её хорошую теплопроводность. В итоге получается "нанодревесина", представляющая собой выстроенные особым образом нановолокна целлюлозы, между которыми остаются пустоты в форме "туннелей".
Итак, процесс получения начинается с разрезания древесины определённым образом. После этого её кипятят в гидроксиде натрия и сульфите натрия. На следующем этапе с помощью пероксида водорода удаляется весь лигнин и большая часть гемицеллюлозы при полном сохранении структуры материала, после чего его лиофилизируют, то есть избавляются от жидкости вымораживанием.
В конце концов получается абсолютно белый блок или лист, который, ко всему прочему, эффективно отражает свет. Но главный секрет теплоизоляционных свойств кроется именно в структуре материала. Нанотуннели способствуют распространению тепла только вдоль них, полностью блокируя этот процесс в любом другом направлении. Этот эффект называется анизотропией и, например, пенополистирол такими свойствами не обладает.
То есть, используя "нанодревесину", инженеры смогут направить поток тепла куда им заблагорассудится, просто изменив направление волокон.
"Если изготовить лист менее одного миллиметра толщиной, то наш материал может быть свёрнут, что делает его пригодным для технологий, которые требуют гибкости, например, теплоизоляция трубопроводов на химических заводах и электростанциях", — рассказывает Ху в пресс-релизе университета.
Как сообщается в статье, опубликованной авторами работы в издании Science Advances, "нанодревесина" является таким же хорошим теплоизолятором, как и современный лидер – пенополистирол, а в некоторых случаях даже превосходит его. Остальные аналоги по ключевым характеристикам находятся далеко позади. Кроме того, новый материал очень лёгкий и обладает высокой прочностью. Он способен выдерживать давление в 13 мегапаскалей, и это в 30 раз больше, чем самые прочные из используемых в промышленности теплоизоляционных материалов.
Не менее важным фактором успешной реализации разработки является относительно невысокая стоимость сырья и технологического процесса. Предположительно, цена готового материала может составлять от 7,5 долларов (около 450 рублей по текущему курсу) за квадратный метр.
Остаётся только добавить ко всему вышесказанному, что материал на основе натуральной целлюлозы безусловно будет гиппоаллергенным, что даёт возможность его использования в жилых помещениях, а также полностью биоразлагаемым, что решает проблему его утилизации.
Конечно, в бочке мёда есть традиционная ложка дёгтя. Например, скорее всего "нанодревесина" легко воспламеняется, что может повредить её репутации в качестве строительного материала. Некоторые вопросы вызывает и возможная высокая стоимость стадии лиофилизации. В любом случае, работы продолжаются, и разработчики решительно настроены добиться вывода своего продукта на рынок.
А с другими современными высокотехнологичными материалами можно познакомиться в специальных разделах проекта "Вести.наука" (nauka.vesti.ru), посвящённых материаловедению в целом, метаматериалам и нанотехнологиям.