Бумага терпит: Лист прочнее чугуна

С химической точки зрения, это именно бумага – комбинация волокон целлюлозы. Но особое расположение этих волокон сделало листы почти такими же прочными, как сталь. В принципе, из такой бумаги можно строить мосты и корабли.

Поэтам будущего придется попотеть, разрывая непонравившиеся черновики своих произведений: шведским ученым во главе с Ларсом Берглундом (Lars Berglund) удалось разработать «нанобумагу», используя ту же основу, что и в бумаге обычной — волокна целлюлозы. Этот полисахарид составляет основную массу клеточных стенок растений (древесина примерно наполовину состоит из нее) и считается самым распространенным по массе органическим веществом на Земле.

В естественных условиях — в растения — отдельные нити целлюлозы формируют нити диаметром около 20 нм (примерно в 5 тыс. раз тоньше человеческого волоса). Нити, в свою очередь, организуются в прочные сети, дающие поддержку всей клетке, как стены поддерживают дом. Несмотря на свои «наноразмеры», волокна целлюлозы образуют весьма прочный надежный каркас, в чем может убедиться каждый, пытаясь сломать ствол дерева.

Выделенная из древесины целлюлоза идет на производство бумаги и целлофана, а с недавних пор — и некоторых новейших пластиков. Но до сих пор человечество использовало ее, как дешевый «заполняющий» материал, игнорируя колоссальный потенциал, который заключают в себе механические свойства волокон целлюлозы. Жесткая обработка, которой подвергается древесина при производстве бумаги, разрушает даже отдельные нити этого полимера, многократно снижая прочность. Но Ларс Берглунд с коллегами создали новую, гораздо более бережную технологию обработки — и с гораздо более твердым результатом.

Метод включает в себя осторожное разрушение древесины ферментами, а затем аккуратное дополнительное механическое фрагментирование. Это позволяет шаг за шагом разлагать целлюлозный каркас, получая отдельные целые нити, растворенные в воде. После этого вода испаряется, а нити целлюлозы снова «сшиваются» вместе — теперь уже в плоской конструкции — образуя друг с другом многочисленные водородные связи. Отдельные волокна образовавшегося материала получаются намного мельче, чем в обычной бумаге — разница достигает 3 порядков, так что авторы с полным правом назвали его «нанобумагой».

Эта «нанобумага» обладает поразительными свойствами. Испытав на разрыв полоски ее размерами 40х5х0,5 мм, ученые показали, что предел прочности такого материала составляет 214 МПа, то есть выше, чем у чугуна (130 МПа) и приближается к стали (250 МПа).

Секрет такой прочности — не только в прочности неповрежденных волокон целлюлозы, но и в том способе, которым они образуют сеть. Несмотря на то, что каждое волокно крепко связано с соседями, оно держится на своем месте достаточно подвижно и способно смещаться относительно других волокон. Это дает материалу прекрасные способности «снимать напряжение» противодействуя разрывам.

О том, как производят сегодня обычную бумагу читайте: «Терпеливый материал».

По публикации The New Scientist Tech