Учёные из Университета Торонто совершили прорыв в области устойчивых материалов, обнаружив, что биоуголь, получаемый из древесины, может демонстрировать прочность, сопоставимую со сталью. Исследование показало, что механические свойства этого углеродного материала напрямую зависят от его внутренней структуры, унаследованной от природного сырья.
Оказалось, что монолитный биоуголь, представляющий собой цельные блоки обугленной древесины, сохраняющие её естественное строение, обладает чрезвычайно высокой твёрдостью в определённом направлении. При испытаниях твёрдость материала могла различаться более чем в двадцать восемь раз в зависимости от ориентации образца, что раскрывает фундаментальную роль анизотропии — разницы свойств по разным направлениям.
Работа, выполненная в Лаборатории зелёных технологий под руководством профессора Чарльза Джи, была сосредоточена на изучении биоугля из семи пород дерева, включая клён, сосну, бамбук и африканское железное дерево. Образцы нагревали без доступа кислорода при температурах от 600 до 1000 °C. Наивысший результат продемонстрировал биоуголь из африканского железного дерева, чья осевая твёрдость достигла 2,25 гигапаскалей, что соответствует уровню мягкой стали.
Исследователи установили, что уникальные прочностные характеристики обусловлены не свойствами самого углерода, а сложной пористой архитектурой древесины, которая сохраняется после обработки. На наноуровне твёрдость всех образцов была практически одинаковой, что указывает на универсальность клеточных стенок.
Это открытие опровергает традиционный взгляд на биоуголь исключительно как на материал для улучшения почвы или очистки и позиционирует его как перспективный структурный компонент для зелёной инженерии. Учёные выявили чёткую корреляцию между твёрдостью, объёмной плотностью и содержанием углерода, предлагая принципы для проектирования материалов с заданными механическими свойствами.
Потенциальные области применения включают создание высокопрочных электродов для энергетических систем, лёгких композитов и фильтров с направленным потоком. Таким образом, природная структура древесины становится ориентиром для разработки следующего поколения устойчивых углеродных материалов.
Исследование было опубликовано в научном журнале Biochar X.
