Модифицированные природные материалы станут важным компонентом устойчивого будущего, но сначала необходимо детальное понимание их свойств. То, как тепло проходит через стенки клеток бамбука, было картировано с помощью передовой сканирующей термической микроскопии, что дало новое понимание того, как изменения теплопроводности связаны с элегантной структурой бамбука. Выводы, опубликованные в журнале Scientific Reports, помогут в разработке более энергоэффективных и пожаробезопасных зданий из натуральных материалов в будущем.
На строительный сектор в настоящее время приходится 30-40% всех выбросов углерода, как из-за энергоемкого производства материалов (преимущественно стали и бетона), так и из-за энергии, используемой для обогрева и охлаждения готовых зданий. По мере того, как население мира растет и все больше проживает в городах, традиционные подходы к строительству становятся неустойчивыми.
Возобновляемые растительные материалы, такие как бамбук, обладают огромным потенциалом для экологичных и энергоэффективных зданий. Их использование значительно сократит выбросы по сравнению с традиционными материалами, помогая смягчить воздействие человека на изменение климата. Этот подход также поможет предотвратить попадание углерода в атмосферу, отклонив древесину от сжигания в качестве топлива.
Исследование включало сканирование поперечных срезов сосудистой ткани бамбука, ткани, которая переносит жидкость и питательные вещества внутри растения. Полученные изображения выявили сложную волокнистую структуру с чередующимися слоями толстых и тонких клеточных стенок. Пики теплопроводности внутри бамбуковой структуры совпадают с более толстыми стенками, где цепочки целлюлозы - основного структурного компонента клеточных стенок растений - откладываются почти параллельно стеблю растения. Эти более толстые слои также придают бамбуку прочность и жесткость. Напротив, более тонкие клеточные стенки имеют более низкую теплопроводность из-за того, что цепочки целлюлозы расположены почти под прямым углом к стеблю растения.
«Природа - удивительный архитектор. Бамбук устроен очень хитроумно», - сказал Даршил Шах, исследователь с факультета архитектуры Кембриджского университета, который руководил исследованием. «Он растет на один миллиметр каждые девяносто секунд, что делает его одним из самых быстрорастущих растительных материалов. На изображениях, которые мы собрали, мы видим, что он делает это, создавая естественную перекрестно-слоистую структуру волокон».
Хотя было проведено много исследований клеточной структуры бамбука в связи с его механическими свойствами, почти никто не изучал, как клеточная структура влияет на тепловые свойства материала. Необходимое количество тепла и охлаждения в зданиях в основном зависит от свойств материалов, из которых они сделаны, особенно от того, сколько тепла они проводят и хранят.
Лучшее понимание тепловых свойств бамбука позволяет понять, как снизить потребление энергии бамбуковыми зданиями. Это также позволяет моделировать поведение компонентов бамбукового здания при воздействии огня, чтобы можно было принять меры, чтобы сделать бамбуковые здания более безопасными.
«Люди могут беспокоиться о пожарной безопасности бамбуковых построек», - сказал Шах. «Чтобы решить эту проблему должным образом, мы должны понимать тепловые свойства строительного материала. Благодаря нашей работе мы можем видеть, что тепло распространяется вдоль поддерживающих структуру толстых волокон клеточной стенки в бамбуке, поэтому под воздействием тепла огня бамбук может размягчаются быстрее в направлении этих волокон. Это помогает нам решить, как правильно укрепить здание».
В настоящее время такие продукты, как ламинированный бамбук, чаще всего используются в качестве напольных материалов из-за их твердости и долговечности. Тем не менее, их жесткость и прочность сравнимы с изделиями из инженерной древесины, что делает их пригодными и для использования в строительстве. «Перекрёстно-клееная древесина - популярный выбор деревянного строительного материала. Она изготавливается путём склеивания слоев пиломатериалов, каждый из которых находится под прямым углом к нижнему слою», - сказал Шах. «Наблюдение за естественной структурой бамбуковых волокон вдохновляет на разработку более качественных строительных материалов».
Группа исследователей из Кембриджского университета и Венского университета природных ресурсов и наук о жизни также планирует изучить, что происходит с тепловым потоком в бамбуке, когда его поверхность сгорает и образует уголь. Использование сканирующей тепловой микроскопии для визуализации сложного строения растений также может быть полезно в других областях исследований, таких как понимание того, как микроструктурные изменения в стеблях сельскохозяйственных культур могут привести к их падению на полях, что приведет к потере урожая.
Шах является членом междисциплинарного Центра инноваций в области натуральных материалов Кембриджского университета, целью которого является продвижение использования древесины в строительстве путем изменения свойств древесины в масштабе ткани, чтобы сделать ее более надежной в изменяющихся условиях окружающей среды.