Взаимосвязь теплопроводности со структурой бамбука

Визуализация теплового потока в бамбуке поможет в проектировании более энергоэффективных и пожаробезопасных зданий

Модифицированные природные материалы рано или поздно станут неотъемлемым компонентом устойчивого будущего. Детальное изучение свойств таких материалов позволит с успехом применять их в строительстве различных объектов.

То, как тепловые потоки проходят через стенки бамбуковых ячеек, было отображено с помощью передовой сканирующей тепловой микроскопии, что дало новое понимание взаимосвязи теплопроводности с элегантной структурой этого природного материала. Результаты, опубликованные в журнале Scientific Reports, послужат ориентиром для разработки в будущем более энергоэффективных и пожаробезопасных зданий из натуральных материалов.

На строительный сектор в настоящее время приходится 30-40% всех выбросов углерода, что связано, как с энергоемким производством этих материалов (преимущественно стали и бетона), так и с энергией, используемой для отопления и охлаждения возведенных строений. По мере того, как мировое население растет и все более сосредотачивается в городах и поселках, традиционные подходы к строительству становятся неустойчивыми.

Возобновляемые материалы на растительной основе, такие как бамбук, обладают огромным потенциалом для создания устойчивых и энергоэффективных зданий. Их использование резко сократит вредные выбросы в окружающую среду, по сравнению с материалами, которые преобладают при возведении агломераций сейчас.

Исследование включало сканирование поперечных срезов сосудистой ткани бамбука, которая транспортирует жидкость и питательные вещества в растении. Полученные изображения выявили сложную структуру волокон с чередующимися слоями толстых и тонких клеточных стенок.

Наблюдалось, что клеточные волокна в рассеянной сосудистой ткани создавали предпочтительные пути для переноса тепла из-за их более высокой проводимости в обоих анатомических направлениях, по сравнению с паренхиматозными клетками в основной ткани.

Пики теплопроводности в бамбуковой структуре совпадают с более толстыми стенками, где цепи целлюлозы - основного структурного компонента клеточных стенок растения - располагаются почти параллельно его стволу. Эти более толстые слои придают бамбуку прочность и жесткость.

Напротив, более тонкие клеточные стенки имеют более низкую теплопроводность из-за того, что целлюлозные цепи находятся почти под прямым углом к стволу растения.

«Природа - удивительный архитектор. Бамбук построен по-настоящему умно». «Он растет на один миллиметр каждые девяносто секунд, что делает его одним из самых быстрорастущих растительных материалов. Благодаря собранным изображениям можно увидеть, что это происходит путем создания структуры волокон с естественным перекрестным ламинированием».

После проведения множества исследований клеточной структуры бамбука в отношении его механических свойств, почти никто не изучал, как клеточная структура влияет на тепловые свойства материала. Мощность отопления или охлаждения, которую необходимо использовать в зданиях, во многом связана со свойствами материалов, из которых они сделаны, особенно с тем, сколько тепла они проводят и хранят.

Лучшее понимание тепловых свойств бамбука дает представление о том, как снизить потребление энергии зданиями из этого материала. Это также позволяет моделировать поведение компонентов бамбукового здания при воздействии огня, так что могут быть заранее приняты меры для повышения их безопасности.

Теплопроводность определяет скорость повышения температуры материала, что влияет на его поведение при пожаре и энергетические характеристики здания.

«Люди могут беспокоиться о пожарной безопасности бамбуковых зданий». «Чтобы решить эту проблему должным образом, надо понимать тепловые свойства строительного материала. Благодаря проведенной работе, стало видно, что тепло распространяется вдоль поддерживающих структуру толстых волокон клеточной стенки в бамбуке, поэтому, если воздействовать на него огнем, бамбук может быстрее размягчаться в направлении этих волокон. Это дает ответ на то, как правильно укрепить здание».

Инженерный бамбук - это захватывающее семейство материалов, которое вызвало большой интерес для устойчивого строительства.

В настоящее время такие изделия, как ламинированный бамбук, чаще всего используются в качестве напольных покрытий из-за их твердости и долговечности. Тем не менее, их жесткость и прочность сопоставимы с конструкционными элементами из широко используемой древесины, что делает их пригодными для использования в строительстве.

«Популярные строительные кросс-ламинированные пиломатериалы изготавливаются путем склеивания слоев под прямым углом друг к другу». «Принимая во внимание то, что структура в бамбуковых волокнах повторяет естественным образом упомянутый метод, можно вдохновиться на разработку лучших строительных конструкций».

В целом, сканирующая тепловая микроскопия предлагается в качестве полезного метода для исследования природных материалов, включая фенотипирование растений и анатомические наблюдения за структурой клеточной стенки (например, ростом слоя и ориентацией целлюлозных фибрилл).

Источник: EurekAlert