دانشمندان «ابر چوب» ساختهاند که قویتر از فولاد است
یک شرکت آمریکایی نوع جدیدی از چوب را طراحی کرده است که میگوید نسبت مقاومت به وزن آن تا ۱۰ برابر فولاد است، در حالی که تا شش برابر سبکتر است.
«سوپر چوب» بهعنوان یک محصول تجاری راهاندازی شده است، که توسط شرکت InventWood تولید میشود، شرکتی که همتاسیسکننده آن مادهشناس لیانگبینگ هو است.
دههها قبل، هو در جستجوی بازآفرینی یکی از قدیمیترین مواد ساختمانی شناختهشده برای بشر بود. در حالی که در مرکز نوآوری مواد دانشگاه مریلند کار میکرد، هو که اکنون استاد دانشگاه ییل است، راههای نوآورانهای برای مهندسی مجدد چوب یافت. او حتی آن را شفاف کرد با حذف بخشی از یکی از اجزای کلیدیاش، لیگنین، که رنگ و بخشی از استحکام چوب را میدهد.
هدف واقعی او، اما، ساختن چوبی قویتر بود، با استفاده از سلولز، که جزء اصلی فیبر گیاهی و «پلیمری بیولوژیکی فراوانترین در سیاره است»، بر اساس گفتههای هو.
اختراع در سال ۲۰۱۷، زمانی که هو اولین بار چوب معمولی را با درمان شیمیایی تقویت کرد تا سلولز طبیعی آن را بهبود بخشد و آن را به مادهای بهتر برای ساختوساز تبدیل کند، به دست آمد.
در ابتدا، چوب در حمامی از آب و مواد شیمیایی منتخب جوشانده شد، سپس در پرس گرم فشرده شد تا در سطح سلولی جمع شود و چگالی آن به طور قابل توجهی افزایش یابد. در پایان فرآیند یک هفتهای، چوب حاصل نسبت مقاومت به وزن «بیشتر از اکثر فلزات و آلیاژهای ساختمانی» داشت، بر اساس مطالعه منتشر شده در مجله نچر.
اکنون، پس از سالها که هو فرآیند را کامل کرده و بیش از ۱۴۰ پتنت ثبت کرده است، سوپرود به صورت تجاری راهاندازی شده است.
«از نظر شیمیایی و عملی، این چوب است»، توضیح داد مدیرعامل InventWood، آلکس لاؤ، که در سال ۲۰۲۱ به این شرکت پیوسته است. در ساختمانها، این امکان را میدهد که سازهها تا چهار برابر سبکتر از حال حاضر باشند، لاؤ گفت، که این به معنای مقاومت بیشتر در برابر زلزله و همچنین سهولت در پایهریزی است، و ساختوساز را سریعتر و آسانتر میکند.
«این دقیقاً مانند چوب به نظر میرسد، و وقتی آزمایش میکنید، همانند چوب رفتار میکند»، لاؤ افزود، «به جز اینکه بسیار قویتر و بهتر از چوب در تقریباً هر جنبهای است که آزمایش کردهایم.»
رقابت با فولاد؟
InventWood در کارخانهای در فریدریکس، مریلند، در حال تولید سوپرود است و اگرچه زمان تولید اکنون بر حسب ساعت اندازهگیری میشود نه روز، اما لاؤ گفت که برای افزایش مقیاس، کمی زمان نیاز است.
در ابتدا، این شرکت قصد دارد بر کاربردهای خارجی مانند عرشه و نما تمرکز کند، قبل از اینکه در سال آینده به کاربردهای داخلی مانند پانلهای دیواری، کفپوش و مبلمان خانگی بپردازد.
«مردم همیشه شکایت دارند که مبلمان با گذشت زمان خراب میشود، و این اغلب به خاطر جمع شدگی یا شکستگی در اتصالات است، که اکنون از فلز ساخته شدهاند چون چوب قوی نیست»، گفت لاؤ. سوپرود میتواند جایگزین این قطعات باشد، او گفت، همچنین پیچها، میخها و دیگر اتصالات فلزی.
در نهایت، لاؤ پیشبینی میکند که یک ساختمان کامل میتواند از سوپرود ساخته شود، هرچند که نیاز به آزمایشهای بیشتری دارد.
مانند آزمایش اولیه هو، چوب از طریق فرآیند شیمیایی تقویت میشود که ساختار پایهای سلولز را تغییر میدهد و بسیار فشرده میشود بدون اینکه پسزده شود. «در تئوری، میتوانیم هر نوع ماده چوبی را استفاده کنیم»، لاؤ گفت. «در عمل، با ۱۹ نوع مختلف از گونههای چوب و همچنین بامبو آزمایش کردهایم، و روی همه آنها کار کرده است.»
InventWood میگوید سوپرود تا ۲۰ برابر قویتر از چوب معمولی است و تا ۱۰ برابر مقاومتر در برابر فرو رفتن، زیرا ساختار منفذی طبیعی چوب جمع شده و مقاوم شده است. این آن را در برابر قارچها و حشرات مقاوم میکند. همچنین، در آزمایشهای مقاومت در برابر آتش استاندارد، بالاترین امتیاز را کسب کرده است.
در حال حاضر، سوپرود بیشتر از چوب معمولی هزینه دارد و اثر کربن بیشتری در تولید دارد، اما لاؤ گفت که در مقایسه با تولید فولاد، انتشار کربن ۹۰٪ کمتر است.
او افزود هدف این است «نه اینکه ارزانتر از چوب باشد، بلکه رقابتپذیر با فولاد باشد»، زمانی که مقیاس تولید بزرگتر شود.
سایر انواع چوب مهندسیشده مدت زیادی است که به عنوان مواد ساختمانی وجود دارند، اما اینوتوود میگوید که اینها صرفاً قطعات چوبی دوباره مرتب شدهای هستند که با چسب به هم چسبیدهاند، نه چوبی که در سطح مولکولی تغییر یافته باشد مانند سوپرود.
ساختوساز چوبی در سالهای اخیر رشد مجددی داشته است و اکنون از چوب برای ساخت آسمانخراشها استفاده میشود. شهر میلواکی — که در حال حاضر میزبان بلندترین برج چوبی جهان، آسمانخراش ۲۸۴ فوتی (۸۷ متری) Ascent MKE است — برنامههایی برای ساخت برجی حتی بلندتر با ارتفاع ۶۰۰ فوت (۱۸۳ متر) اعلام کرده است.
در حال حاضر، بتن بیتردید پرکاربردترین مواد ساختوساز در جهان است، و اگرچه تولید آن در سالهای اخیر به ثبات رسیده است، تولید بتن ۷٪ از انتشار کربن جهانی در جهان را تشکیل میدهد.
فیلیپ اولدفیلد، استاد معماری و رئیس دانشکده محیط ساختهشده در دانشگاه نیو ساوتولز استرالیا، که با اینوتوود همکاری ندارد، گفت که چوب مزایای زیستمحیطی بیشتری نسبت به بسیاری از مواد ساختمانی دیگر دارد زیرا فرآیندهای تولید آن کمتلاشتر از فولاد و بتن است و چوب در بیوماس چوبی خود از طریق فتوسنتز CO2 را ذخیره میکند. «محصولات چوبی میتوانند به عنوان یک سیستم بلندمدت ذخیره کربن در نظر گرفته شوند، و ساختوساز با چوب میتواند شهرهای ما را در طولانیمدت در برابر انتشار کربن «قفل کند»».
با این حال، او اشاره میکند که محصولات چوب مهندسیشده موجود در حال حاضر رقابت با فولاد و بتن دارند. «مانع بر سر ساخت ساختمانهای بیشتر با چوب در واقع نیاز به مقاومت بیشتر نیست»، او توضیح میدهد، «بلکه صنعت ساختوساز ریسکگرا نیست و کند عمل میکند.»
برای دیدن چوب بیشتر در ساختمانها، او استدلال میکند، نیاز به آموزش بهتر، پروژههای آزمایشی و چارچوبهای قانونی بهبود یافته است: «اما محصولات چوبی قویتر مانند این سوپرود میتواند به معماران اجازه دهد تا فضاهای بزرگتری ایجاد کنند و پایانهای بادوامتری با چوب داشته باشند، که قطعاً مفید خواهد بود و میتواند پذیرش چوب را افزایش دهد.»
