Метод сделать дерево стойким к воде и появлению плесени
«Очень важно было добиться того, чтобы это покрытие наносилось по всему объему дерева, а не только по его поверхности». «Древесина имеет поры шириной с человеческий волос или немного меньше, и эти отверстия были использованы в качестве каналов для прохождения газов внутрь дерева»
Обработка дерева, включающая помещение пиломатериалов в герметичный резервуар, где под высоким давлением в них нагнетаются химикаты, используется уже более столетия. Это предотвращает появление плесени, вызывающее гниение древесины во влажной среде. Теперь для этих целей исследователи разработали другой метод, который однажды заменит традиционную обработку сырья и сделает пиломатериалы не только устойчивыми к грибкам, но и почти непроницаемыми для воды, значительно повысив теплоизолирующие свойства дерева.
Метод предусматривает нанесение защитного покрытия из оксида металла толщиной всего несколько атомов по всей клеточной структуре древесины.
Этот процесс, известный как нанесение атомного слоя, уже используется при производстве микроэлектроники для компьютеров и мобильных телефонов, и теперь появилась возможность применения этой технологии для обработки древесины. Подобно обработке давлением, этот процесс происходит в воздухонепроницаемой камере, однако в этом случае в ней создается низкое давление, позволяющее молекулам газа проникнуть через всю структуру древесины.
«Очень важно было добиться того, чтобы это покрытие наносилось по всему объему дерева, а не только по его поверхности». «Древесина имеет поры шириной с человеческий волос или немного меньше, и эти отверстия были использованы в качестве каналов для прохождения газов внутрь дерева».
Когда молекулы газа движутся по этим каналам, они реагируют с внутренними поверхностями, образуя однородное атомное покрытие из оксида металла по всей внутренней структуре дерева. В результате получается древесина, которая отталкивает воду и не впитывает ее даже при полном погружении.
В своих экспериментах исследователи взяли готовые бруски из сосны и нарезали их на куски размером в 2,5 см. Затем они изучили воздействие на пиломатериалы трех видов оксидов металлов: оксида титана, оксида алюминия и оксида цинка. Для каждого из них они сравнивали параметры водопоглощения после выдерживания пиломатериала под водой в течение определенного периода времени.
Из трех реагентов, оксид титана показал лучшие результаты, позволив древесине поглотить наименьшее количество воды. Для сравнения, древесина без обработки впитывала воду в три раза больше.
Авторы исследования пояснили, что такие же явления происходят в процессе осаждения атомного слоя, используемого для изготовления микроэлектронных устройств.
«Известно, что эти же химические прекурсоры оксида титана лучше проникают и одинаковым слоем покрывают сложные наноструктуры в микроэлектронике, как это наблюдалось в древесине». «Эти общие черты в понимании фундаментальных физических явлений, даже в тех, которые кажутся очень разными с практической точки зрения, это то, что делает науку такой гибкой и сильной».
Кроме полученной гидрофобности, пиломатериалы, обработанные с помощью инновационной паровой технологии, также противостоят плесени, которая приводит к гниению древесины.
«Интересно, что, когда эти блоки были оставлены на несколько месяцев во влажной среде, было замечено, что образцы, обработанные оксидом титана, оказались гораздо более устойчивыми к развитию плесени, чем необработанные куски». «Есть подозрение, что это как-то связано с гидрофобной природой, хотя могут возникать и другие химические эффекты, связанные с новым процессом обработки. Это то, что необходимо исследовать в будущем».
Еще одно преимущество нового процесса: обработанная паром древесина оказалась гораздо менее теплопроводной по сравнению с необработанным вариантом.
«В жилищном строительстве большое внимание уделяется изоляции полостей между конструктивными элементами дома, однако значительные тепловые потери связаны и с самими деревянными компонентами». «Пиломатериалы, обработанные этим инновационным методом, могут на 30 процентов быть менее теплопроводными».
Связанная статья журнала Langmuir 2020: https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.9b03273
Источник: Georgia Institute of Technology
