Ученые разработали способ получения из древесины углеродного пористого материала, который можно сжимать на 80 процентов без разрушения и снижения механической прочности. Такого эффекта удалось добиться за счет удаления из древесины лигнина и гемицеллюлозы, что привело к формированию слоистой структуры вместо ячеистой, сообщают ученые в статье в Chem.

Процесс карбонизации древесины позволяет получать легкие углеродные материалы с пористой структурой и высокой электропроводностью. Основная проблема таких материалов — низкая механическая прочность. Из-за образования трещин они легко разрушаются даже при достаточно слабом сжатии. Однако, поскольку обычно такие материалы используются в качестве проводящих элементов в сенсорах и электронных устройствах, их механическая прочность — один из важных параметров, который определяет возможность их применения.

Ученые из США и Китая под руководством Лянбина Ху (Liangbing Hu) из Мэрилендского университета предложили для улучшения механических характеристик пористых углеродных материалов, получаемых из древесины, ввести в схему технологического процесса дополнительную стадию, во время которой из древесины сначала получают упругий пористый материал со слоистой структурой — «древесную губку». Этот процесс химики предложили проводить в две стадии, обрабатывая древесину сначала щелочным раствором сульфита натрия, который приводит к удалению из структуры лигнина, а потом — перекисью водорода, которая удаляет остатки лигнина, а также гемицеллюлозу — разветвленные полисахаридные молекулы молекулярной массой до 40 килодальтон.

Схема получения из древесины и сжатия пористых углеродных материалов: сверху — с помощью непосредственной карбонизации древесины, снизу — с помощью предложенной методики из «древесной губки»
Схема получения из древесины и сжатия пористых углеродных материалов: сверху — с помощью непосредственной карбонизации древесины, снизу — с помощью предложенной методики из «древесной губки»

В результате из изначально ячеистой структуры с прямоугольными в сечении каналами удаляются все вертикальные стенки и образуется слоистая система с каналами толщиной от 20 до 30 микрометров и толщиной стенок около 1 микрометра. Оказалось, что такой материал можно почти в два раза сжимать в направлении, перпендикулярном образующимся слоям.

Полученную древесную губку с помощью выскотемпературной обработки (около 1000 градусов Цельсия) можно карбонизировать, превратив ее в углеродную губку. В отличие от пористого углеродного материала, который получают с помощью непосредственной карбонизации древесины, углеродная губка (так же, как и древесная) обладает слоистой структурой, в которой отсутствуют вертикальные стенки. Это позволяет сжимать такой материал в направлении, перпендикулярном слоям, достигая деформаций в 80 процентов.

Последовательность стадий химической обработки древесины, во время которых из ее структуры удаляется лигнин и гемицеллюлоза и образуется слоистая структура «древесной губки»
Последовательность стадий химической обработки древесины, во время которых из ее структуры удаляется лигнин и гемицеллюлоза и образуется слоистая структура «древесной губки»

Кроме того, такую углеродную губку можно свободно подвергать и циклическому воздействию, сжимая ее и растягивая обратно, так что при этом не теряются ее механические свойства. Так, после 10 тысяч циклов сжатия-растяжения (деформация при сжатии во время такой циклической обработки составляла 50 процентов) зависимость деформации от напряжения для материала не изменилась и он так же продолжал реагировать на сжатие и восстанавливать свою форму после снятия нагрузки.

Микроструктура пористых углеродных материалов: слева — полученного непосредственной карбонизацией древесины, справа — с помощью предложенной методики из «древесной губки»
Микроструктура пористых углеродных материалов: слева — полученного непосредственной карбонизацией древесины, справа — с помощью предложенной методики из «древесной губки»
Внешний вид пористых углеродных материалов до и после сжатия: сверху — полученного непосредственной карбонизацией древесины, снизу — с помощью предложенной методики из «древесной губки»
Внешний вид пористых углеродных материалов до и после сжатия: сверху — полученного непосредственной карбонизацией древесины, снизу — с помощью предложенной методики из «древесной губки»

Смоделировав такую систему численно с помощью метода конечных элементов, ученые показали, что ее механические свойства связаны с тем, что при деформации материала не происходит растяжения и сжатия отдельных углеродных слоев. Чтобы обеспечить необходимую амплитуду деформации, изначально искривленные слои достаточно только распрямлять или изгибать.

По словам исследователей, благодаря своим механическим свойствам подобные углеродные материалы можно будет применять в гибкой электронике, аккумуляторах или в качестве подложек для катализаторов. Кроме того, из-за того, что проводимость углеродных губок зависит от их деформации, их также можно будет использовать в качестве механических сенсоров.