Liangbing Hu (vlevo) a Teng Li (vpravo) z Katedry materiálového výzkumu a inženýrství University of Maryland, členové týmu, který prozkoumal způsob, jak dřevu desetkrát zvýšit pevnost a tuhost. Credit: University of Maryland

Dřevo je všestranný, nedocenitelný a nádherný materiál, jež má nezastupitelný význam ve vývoji lidské civilizace. To nezměnila ani doba „plastová“ a v současnosti se i mnozí architekti k němu vrací jako k tradičnímu stavebnímu materiálu. Kromě velkých firem zabývajících se zpracováním dřeva k rozmanitým účelům, již řadu desetiletí bezpočet výzkumných týmů zkoumá, jak dřevo upravit tak, aby mělo lepší, nejednou překvapivé vlastnosti, což rozšiřuje možnosti jeho využití. Například aby se s mnohem menší objemovou hmotností v tvrdosti a pevnosti vyrovnalo oceli či slitinám. Efektivní, v praxi využitelnou metodu, jak toho dosáhnout u běžných druhů dřeva představil v únorovém vydání časopisu Nature 22 členný tým s převahou vědců z University of Maryland. Jak již je to u „piplavého“ náročného materiálového výzkumu běžné, téměř všechna jména svědčí o asijském původu jejich nositelů.

Pórovitá struktura dřeva

Nejdřív si připomeňme, že základními stavebními složkami dřeva jsou celulóza, hemicelulóza a lignin. Celulóza, důležitá například pro výrobu papíru, tvoří přibližně polovinu dřevní hmoty. Je po chemické stránce monotónní – tvoří ji tisíce molekul D-glukózy propojených do lineárních vláken. Hemicelulóza je rozmanitější polysacharid, do jehož řetězců s krátkými bočními výběžky se spojuje několik různých monosacharidů. Obsah hemicelulózy v dřevní hmotě listnatých stromů je zpravidla vyšší (čtvrtina až třetina) než u jehličnatých a její složení se liší i v závislosti od druhu stromu.

Lignín, který tvoří přibližně čtvrtinu až třetinu dřevní hmoty, působí jako hydrofobní pojivo s neuspořádanou prostorovou strukturou. Stavebními kameny chemicky složitějšího polymeru jsou - na rozdíl od celulózy a hemicelulózy - aromatické uhlovodíky. Funkci ligninu v dřevě lze připodobnit k funkci pryskyřice ve sklolaminátu. Zvyšuje pevnost dřeva a jeho odolnost nejen mechanickou, ale i obrannou proti napadení mikroorganismy.

Snímky z rastrovacího elektronového mikroskopu odhalují očím neviditelné podrobnosti struktury dřeva: a – přírodní dřevo, b – dřevo po chemickém odstranění části ligninu před slisováním, c – po slisování, kdy se stěny buněk zbortily, zaklínily do sebe v kompaktní strukturu. Upraveno podle: Jianwei Song et al, Processing bulk natural wood into a highperformance structural material, Nature (2018). DOI: 10.1038/nature25476.
V dostupném originálním článku naleznete obrázky v lepším rozlišení a další zajímavou obrazovou dokumentaci.

Dřevo zdaleka není kompaktním materiálem, prostupují ho kanálky, cévy, cévice či příčné dřeňové paprsky. Možnost zkompaktnění této pórovité struktury jistě není novou ani neočekávanou myšlenkou, inovativní je právě efektivní způsob, jak na to, ale hlavně bezpočet pokusů a měření při hledání optimálního poměru základních stavebních složek dřeva k dosažení nejlepších výsledků. K tomu je potřeba nejdříve odstranit část (ale jenom část) hemicelulózy a ligninu. Proto vědci vzorky dřeva lípy, dubu, topolu, borovice vejmutovky a zeravu nejdřív vařili ve vodním roztoku hydroxidu sodného a siřičitanu sodného, poté vymývali v horké demineralizované vodě a následně při 100°C lisovali tlakem 5 MPa působícím 24 hodin kolmo na směr vláken. Tím se buňečné stěny zbortily, dřevní hmota zkompaktněla na souběžná, hustě uspořádaná celulózová vlákna vázaná k sobě zbylým ligninem i nově vzniklými vodíkovými můstky. Původní tloušťka dřeva se ve směru tlaku lisu zmenšila na téměř pětinu, čímž samozřejmě vzrostla i hustota. Ale i vzorky s nejlepšími naměřenými mechanickými vlastnostmi byly s hodnotou hustoty 1,3 g/cm³ porovnatelné s nejtěžšími druhy nevysušeného přírodního dřeva tomelů (ebenové dřevo), zimostrázů nebo amerických quajaků.

Autoři v abstraktu svého článku o „zhuštěném“ (densified) dřevu uvádějí: „…má měrnou pevnost v tahu vyšší než většina konstrukčních kovů a slitin, čímž se získala nízkonákladová, široce využitelná, lehká alternativa“. Vzhledem k původnímu přírodnímu dřevu je to zhuštěné téměř 12krát pevnější a 10 násobně tvrdší (přibližně 10x vyšší ohybová tuhost i lomová houževnatost). "Může konkurovat oceli nebo dokonce některým lehkým slitinám titanu, tak je pevné a odolné. Je srovnatelné s uhlíkovými vlákny, jenže mnohem levnější“, tvrdí člen týmu, Liangbing Hu, 36letý úspěšný vědec původem z Číny.

K dalším zajímavým vlastnostem upravovaného dřeva je, že ve fázi tepelného lisování ho lze ohýbat a tvarovat a výslednou formu si uchová. A jak po vysušení odolává vlhkosti? Vzorky kompaktního dřeva vystavené ve speciální komoře 95procentní vlhkosti po dobu 128 hodin nabobtnaly do šířky o 8,4 % a mechanické vlastnosti se vůči výchozím zhoršily o 10 %. Stačila ale aplikace běžného polyuretanového povrchového nátěru na dřevo, aby suché vzorky vlhkosti odolaly bez měřitelných objemových změn a jen s nepatrným poklesem pevnosti. Pro porovnání: při stejných testech vzorky přírodního lisovaného dřeva s původním obsahem ligninu a hemicelulózy zvětšily svoji tloušťku o 43 %, jejich pevnost klesla o 40 %.

Upraveno podle: Jianwei Song et al, Processing bulk natural wood into a highperformance structural material, Nature (2018). DOI: 10.1038/nature25476

Dostupnost střelných zbraní (nejen) v USA motivuje vědce ke zkouškám průstřelnosti nových materiálů, i když se u nich využití k podobným účelům nepředpokládá. Náboji podobný projektil ze speciálního testovacího zařízení bez problémů prorazil destičku z přírodního lisovaného dřeva a proletěl ní jen s malou ztrátou energie. Stejně tlustá vrstva kompaktního dřeva ho sice také nezastavila, nicméně mu odebrala 7krát více energie. Třetím ostřelovaným vzorkem se stejnými rozměry byla překližka z pěti tenkých, uspořádáním vláken na sebe kolmých vrstev upraveného kompaktního dřeva. Projektil ji sice prorazil, ale neproletěl a zůstal v překližce uvězněn.

Jistě ne nezajímavými jsou výsledky změny vlastností v závislosti od snížení obsahu ligninu (a hemicelulózy) v prvním chemickém kroku úpravy. Přírodní neupravované dřevo mělo při složení 44 % celulózy, 19,5 % hemicelulózy a 20,8 % ligninu hustotu 0,46 g/cm3, pevnost 51,6 MPa a lomovou houževnatost (work of fracture) 0,43 MJ/m3. Nejlepší mechanické vlastnosti vědci naměřili v zhuštěném dřevě s obsahem 38,7 % celulózy, 5,2 % hemicelulózy a 11,3 % ligninu. I když hustota těchto vzorků oproti přírodnímu dřevu narostla téměř 3x (ρ = 1,3 g/cm³), jejich pevnost dosáhla 587 MPa (nárůst více než 11x), lomová houževnatost 4 MJ/m³ (nárůst téměř 10x). Modul tvrdosti (hardness modulus) vzrostl 13x. Dalším snižováním obsahu ligninu vysoké hodnoty mechanických parametrů prudce klesaly. Při úplné delignizaci byly dokonce podstatně horší než u původního neupraveného dřeva.

Pro bližší informace a celou řadu zajímavých obrázků doporučujeme nahlédnout do originálního článku (zde).