Cientistas e engenheiros estão desenvolvendo materiais de alto desempenho de fontes ecológicas, como resíduos de plantas. Um ingrediente -chave, lignosalulose – madeira e muitas plantas são encontradas em muitas plantas – pode coletar facilmente e modificado quimicamente para melhorar suas propriedades.
Ao usar essas mudanças químicas, os pesquisadores estão criando materiais avançados e novas maneiras de projetar e criar. Todos os anos, é uma das maiores fontes de materiais renováveis, incluindo cerca de 181,5 bilhões de toneladas de madeira produzidas em todo o mundo.
Pesquisadores da Faculdade de Engenharia e Ciência da Computação da Florida Atlantic University e Associates of Miami e Oak Ridge National Laboratory University, em nanoescala, queria descobrir se as paredes de células minerais poderiam fortalecer as paredes das células de madeira – não pesadas, caras ou ruins para o meio ambiente. Poucos estudos investigaram o desempenho da madeira de tratamento em diferentes escalas e nenhuma das paredes celulares diretas incluía toda a peça de madeira, incorporando com sucesso os minerais inorgânicos.
A equipe de pesquisa se concentrou em um tipo especial de madeira dura conhecida como madeira picante, que vem de árvores foliares espaçosas como carvalho, bordo, cereja e nozes. Essas plantas têm vasos grandes em forma de anel em madeira que transportam água para as folhas das raízes. Para o estudo, os pesquisadores usaram um carvalho de madeira dura comum na América do Norte e introduziram um composto de ferro na madeira através de uma resposta química comum. Ao misturar nitrato férrico com hidróxido de potássio, eles criaram ferry -hidrita, que geralmente é um mineral de óxido de ferro encontrado no solo e na água.
O resultado do diário Materiais Aplicados ACS e InterfacesFoi revelado que um método químico simples e caro, usando um mineral seguro chamado oxi -hidróxido de ferro nanocristalina, só pode fortalecer as paredes das células na madeira ao adicionar uma pequena quantidade de excesso de peso. Embora a estrutura interna tenha se tornado mais durável, o comportamento geral da madeira – como ela gira ou quebra – permaneceu originalmente inalterado. Isso provavelmente ocorre porque o tratamento enfraquece as conexões entre células de madeira separadas, afetando como os ingredientes se mantêm em tamanho maior.
As pesquisas sugerem que, com o tratamento químico adequado, é possível aumentar o peso da madeira e outros materiais à base de plantas ou aumentar a energia sem danificar o ambiente. Esses materiais de base biológica podem um dia substituir os materiais de construção tradicionais de maré, como aço e concreto em aplicações, como prédios longos, pontes, móveis e pisos.
“Madeira, vários níveis, como muitos materiais naturais e várias escalas, têm uma estrutura complexa. Para entender como o urso de madeira é entendido e, finalmente, falha, é essencial testá -lo nesses diferentes níveis”, departamento de engenharia de engenharia de Fow Merke, PhD, Senior e Ceber, Departamento de Engenharia de Fow, Departamento de Engenharia de Fow. “Para testar nossa hipótese – adicionar pequenos cristais minerais na parede da célula os fortalecerá – nomeamos diferentes tipos de testes mecânicos em escalas em nanoescala e macroscópica”.
Para o estudo, os pesquisadores usaram equipamentos avançados como a microscopia de força atômica (AFM) para testar a madeira em tamanho muito pequeno, permitindo que eles medam as características como dureza e elasticidade. Especificamente, eles nomearam uma estratégia chamada AM-FM (modulação de modulação de largura), que vibra a ponta do AFM em duas frequences separadas. Uma frequência produz a imagem dos detalhes, o outro mede a elasticidade e a adesão do material. Este método fornece uma visão precisa de como as paredes das células de madeira foram alteradas após tratá -las com minerais.
Além disso, a equipe conduziu um teste de nanoindentação em um microscópio eletrônico de varredura (SEM), onde pequenas sondas foram pressionadas em madeira para medir sua reação em diferentes regiões. Para envolver sua análise, eles realizam testes mecânicos padrão – como não tratar e dobrar a amostra de madeira – para avaliar sua força geral e como eles quebram sob pressão.
“Da estrutura microscópica do interior das células a diferentes níveis em diferentes níveis-a peça inteira de madeira-conseguimos saber mais sobre como melhorar quimicamente os materiais naturais para uso do mundo real”, disse Mark.
Essa combinação de testes pequenos e grandes de tamanho ajudou os pesquisadores a entender como os detalhes finos e a força geral da madeira afetam tanto dentro das paredes das células de tratamento.
“Esta pesquisa identificou um progresso importante no campo da ciência sustentável de materiais e passos significativos em direção à construção e design ambientalmente amigável”, Dean Stella Batalama, reitor da Faculdade de Engenharia e Ciência da Computação. “Ao fortalecer a madeira natural através de métodos ambientalmente conscientes e caros, nossos pesquisadores estão criando a base para uma nova geração de materiais biológicos que provavelmente substituirão materiais tradicionais de maré, como aço e concreto. O impacto deste trabalho atinge o longo alcance no campo da engenharia”.
Estudando co-autores são Steven A. Soi, um doutorado. FAU College of Engineering and Computer Science e FAU Charles E. Graduado na Schmrit College of Science; Inm lalani, um doutorado. Estudante da Universidade de Miami; Matthew El Maron, PhD, pesquisador de doutorado da Universidade de Miami; David Gonzalez, estudante de graduação da FAU College of Engineering and Computer Science; Hasan Mahfuz, PhD, professor de FAU no mar e engenharia mecânica; E Notícias Domingo-Marimon, PhD, cientista sênior de P&D, líder do grupo de Microscopy Group do Grupo de Microscopia das Forças Atômicas, Oak Ridge.
