Dřevo ještě pevnější než ocel

Jednoduchá a levná technologie promění dřevo v supermateriál, který svými mechanickými vlastnostmi a odolností zastíní ocel či titanové slitiny.

Dřevo dnes vyklízí pozice a ustupuje odolnějším kovům, plastům či kompozitům. Jejich výroba však přináší podstatně větší zátěž pro životní prostředí. I proto se vědci snaží „zahustit“strukturu přírodního materiálu a zvýšit tak jeho pevnost a odolnost. Jenže dřevo se těmto snahám zarputile vzpírá a vylepšené vlastnosti především za vlhka rychle ztrácí.

Překližka zastaví vystřelený projektil

Tým vedený materiálovým inženýrem Liangbingem Huem z Marylandské univerzity v USA nyní přichází s revoluční recepturou, která promění obyčejné dřevo v hmotu s udivující pevností. Hu a jeho spolupracovníci vařili různé druhy dřeva včetně dubového po několik hodin v roztoku hydroxidu sodného a siřičitanu sodného. Podobně se zpracovává dřevo na buničinu při výrobě papíru. Ze tří základních komponent dřeva se tímto postupem částečně odstraní lignin a hemicelulóza. Třetí složka, celulóza, zůstává ve dřevě bez valných změn.

Ani druhá fáze nevyžaduje nijak převratnou technologii. Dřevo se lisuje celý den při teplotě kolem 100 °C. Buněčné stěny v dřevě se přitom zbortí a v celulózových vláknech nanometrové síly dojde k chemické reakci, která je navzájem propojí. Pevnost dřeva díky tomu prudce vzroste.

Hu a jeho spolupracovníci stlačili dřevo na pětinu jeho původní tloušťky. Hustota materiálu přitom narostla na trojnásobek. Síla potřebná k roztržení novéhomateriálu vzrostla více než jedenáctkrát. Dvacetkrát se zvýšil odpor, který je třeba překonat pro jeho ohnutí, a odolnost ke stlačení vylétla dokonce na padesátinásobek. Zpevněné dřevo je také tvrdší. Jeho povrch lépe odolává poškrábání i silným úderům.

Za velmi důležité považují experti vysokou odolnost zpevněného dřeva vůči vodě. Když vystavi-

Výroba superpevného dřeva

li nový materiál v laboratoři na pět dní extrémně vlhkému vzduchu, zvětšil se objem desky o méně než desetinu. K dokonalé ochraně před průnikem vlhkosti stačilo opatřit zpevněné dřevo jedinou vrstvou nátěru.

Možnosti nového materiálu demonstroval Hu na překližce vyrobené z pěti vrstev tvrzeného dřeva. Materiál o tloušťce tří milimetrů zastavil ocelový projektil o hmotnosti 46 gramů, letící rychlostí 30 metrů za sekundu. Kevlar, tradičně používaný pro výrobu neprůstřelných vest, je sice o něco „neprůstřelnější“, ale stojí dvacetkrát víc než zpevněné dřevo.

Materiál pro automobily?

Technologie, kterou Huův tým popsal ve studii zveřejněné předním vědeckým časopisem Nature, nabízí radikální inovace řadě průmyslových odvětví. Dnes jsou konstruktéři i designéři při využívání dřeva omezeni tím, co tento materiál snese. V blízké budoucnosti by ale mohli materiálo- ví inženýři dodávat dřevu vlastnosti šité na míru specifickým nárokům konstrukce a designu.

Ke dřevu by se mohli vrátit například výrobci automobilů. Současný tlak na snížení spotřeby a emisí nutí automobilky k radikálnímu snižování hmotnosti vozů. Dosud běžně používanou ocel nahrazují slitiny hliníku nebo kompozity z uhlíkových vláken. Lehčí materiály bývají ale výrazně dražší a jejich nasazení zvyšuje ceny automobilů. Zákazníci sice ušetří na pohonných hmotách, ale zároveň sahají hlouběji do kapes při koupi nových aut. Nakonec nemusí být úsporný vůz pro zákazníka výhodný. Oproti uhlíkovým kompozitům má zpevněné dřevo i tu výhodu, že se při spojování dílů obejde bez drahých lepidel, která silně komplikují recyklaci kompozitů, a někdy ji dokonce zcela znemožní.

Zatím není úplně jasné, jak snadno se podaří technologii převést z laboratorních měřítek do podmínek velkovýroby a nakolik bude možné celou proceduru při práci s velkým objemem dřeva urychlit. Dnes zabere zpevnění desky o rozměrech větší knihy desítky hodin. Někteří experti ale vidí prostor pro zjednodušení. Jsou například přesvědčeni, že velký tlak a teplota zpevní dřevo i bez předchozího snížení obsahu ligninu a hemicelulózy. Další sázejí na to, že zvýšení odolnosti přinese napouštění dřeva syntetickými pryskyřicemi.

Úplně nové možnosti

Zpevnění na neprůstřelný materiál není jediný trik, který dnešní materiáloví inženýři s dřevem podnikají. Švédští vědci vyvíjejí průhledné dřevo. Podobně jako Hu nejprve zbaví dřevní hmotu ligninové složky, protože právě té vděčí dřevo za své hnědé zabarvení. Tým Larse Berglunda ze stockholmského Královského technologického institutu napouští dřevo zbavené ligninumetylmetakrylátem, známějším pod lidovým názvem plexisklo. Oba mate- riály – dřevo bez ligninu a plexisklo – mají stejný index lomu světla, a proto vytvoří opticky jednolitou hmotu. Výsledkem je čirý materiál, který Berglund plánuje ověřit při výrobě oken.

Další zajímavou metamorfózu provedli američtí vědci z Kalifornské univerzity v Santa Barbaře s kůrou stromu sakury ozdobné. Ta se chemickým složením podobá korku, ale díky vnitřní vláknité struktuře vyniká vysokou pevností. Po vystavení účinkům polyetylenglykolu se mění kůra na pružnou hmotu podobnou gumě. Lze ji bez poškození natáhnout na dvojnásobek původní délky. Jakmile tah povolí, vrátí se „gumové dřevo“opět do původního tvaru. Detailní pohled na kůru ukázal, že v přirozeném stavu jsou v ní vlákna celulózy napnutá do krajnosti. Polyetylenglykol je uvolní a dovolí jim zaujmout přirozenou konformaci. Původní pružnost jim však nesebere.