Ученые из Центрально-Южного университета лесного хозяйства и технологий в Китае разработали на основе натурального бамбука новый прозрачный материал, напоминающий стекло.
В отличие от изделий на основе дерева, «бамбуковое стекло» обладает огнестойкостью и обладает супергидрофобными свойствами. В солнечных панелях это стекло пропускало 71,6% света, что повысило эффективность преобразования энергии в 15,29%. Бамбук растет быстрее, чем деревья, и поглощает больше CO₂, поэтому это более экологичный вариант изготовления из него новых материалов.
Кремнезем является обычным материалом для производства стекла. На протяжении тысячелетий кварцевое стекло использовалось в различных отраслях, и в 2020 году спрос на него превысил 130 млн тонн. Однако, невзирая на простоту и дешевизну производства стекла таким способом, конечный продукт получается тяжелым и хрупким, а сам процесс выделяет парниковые газы. Поэтому остро стоит необходимость в экологически безопасной альтернативе.
В поисках экологических решений растет спрос на прозрачные материалы из дерева. По сравнению с традиционными материалами, древесина имеет меньший углеродный след, а также отличную механическую прочность и теплоизоляционные свойства. И, самое главное, этот материал обладает лучшей прозрачностью, чем кварцевое стекло, а потому лучше подходит для многократного применения. Однако проблема заключается в нехватке сырья. По оценкам даже с учетом плантаций, к 2050 году в мире будет значительный дефицит промышленной древесины.
Кроме того, полимеры, используемые для придания древесине прозрачности, делают ее легковоспламеняющейся, что представляет серьезную опасность. Чтобы решить эту проблему, китайские исследователи использовали для создания прозрачного материала бамбук.
Бамбук имеет более высокую скорость роста и регенерации, что позволяет использовать его в качестве строительного материала уже через 4-7 лет после посадки.
По словам ученых, бамбук в четыре раза эффективнее древесины с точки зрения урожайности. Он ценится за свою исключительную производительность и даже называется "вторым лесом". Состав бамбука аналогичен древесному, а его вертикальные каналы обеспечивают высокую пористость и проницаемость.
Исследователи использовали это свойство бамбука для создания прозрачного материала, похожего на стекло. С помощью вакуумной пропитки они внедрили неорганический жидкий силикат натрия (Na2O-nSiO2) в структуру бамбука, предварительно удалив лигнин. Затем промежуточный продукт прошел гидрофобную обработку. Благодаря этой стратегии удалось создать огнестойкий барьер из трех слоев: верхний слой из силанов (кремневодородов); средний слой из диоксида кремния (SiO2), полученный гидролизом-конденсацией метасиликата натрия (Na2SiO3) на поверхности; и внутренний слой из Na2SiO3.
В ходе испытаний исследователи обнаружили, что их материал воспламеняется за 116 секунд и выделяет всего 0,7 МДж/м² тепла. Дымообразование от материала также было меньше – 0,063 м². Для сравнения, время воспламенения обычной древесины составляет 5-30 секунд. Помимо огнестойкости, материал обладает улучшенными механическими свойствами, такими как прочность на изгиб и растяжение.
Исследователи использовали прозрачный материал для создания солнечных элементов. Материал показал высокую светопропускную способность – 71,6%, что привело к повышению эффективности преобразования энергии в 15,29%. В будущих исследованиях ученые сосредоточятся на крупномасштабном производстве и многофункциональности бамбука.
