1
وقتی درختان در باتلاق‌ها یا بستر رودخانه‌ها سقوط می‌کنند، فرآیندی شگفت‌انگیز آغاز می‌شود. تنه‌ها، در گل و لای مدفون شده، از اکسیژن محروم می‌شوند و با کمک میکروب‌ها، به آرامی تیره‌تر، متراکم‌تر و معدنی‌تر می‌شوند. گاهی قرن‌ها بعد، این چوب‌های دفن‌شده باستانی با درخششی شبیه سنگ مرمر، ظاهر می‌شوند و در برابر پوسیدگی مقاومت بالایی دارند.
تولد «BioStrong Wood» – چوبی تقویت‌شده با قارچ و حرارت
سؤال بنیادین: آیا می‌توان این دگرگونی طبیعی را در آزمایشگاه تکرار کرد؟
یک گروه بین‌المللی از دانشمندان مواد تصمیم گرفتند بررسی کنند آیا این تکامل طبیعی را می‌توان در مقیاس صنعتی، سریع و پاک‌سازی‌شده در آزمایشگاه بازآفرینی کرد یا خیر.
پاسخ آن‌ها «BioStrong Wood» بود؛ چوبی که با قارچ و حرارت تقویت شده و اکنون استحکام کششی آن از فولاد ضدزنگ متداول SAE 304 پیشی می‌گیرد، در حالی که وزن آن بسیار کمتر است.
مشارکت علمی چندملیتی
این پروژه با همکاری دانشگاه سرزمین باسک (EHU)، دانشگاه ووهان و آکادمی علوم چین به اجرا درآمد.
محققان معتقدند نتیجه این پروژه، تنها یک کامپوزیت هوشمند نیست، بلکه نگاهی به آینده‌ای پایدار و چرخشی برای جایگزینی مواد آلاینده و غیرقابل تجدید در اقتصاد امروزی است.
چرا چوب هنوز اهمیت دارد؟
چالش‌های چوب در مهندسی مدرن
با وجود استفاده هزاران‌ساله انسان از چوب، بسیاری از پروژه‌های مهندسی پیشرفته هنوز به فولاد، آلومینیوم یا پلاستیک‌های مشتق‌شده از نفت تکیه دارند.
ویژگی‌هایی مانند تخلخل، جذب رطوبت و ناپایداری، استفاده از چوب را محدود به تیرها و تخته‌ها کرده، نه قطعات دقیق مهندسی.
دیدگاه پژوهشگران
پروفسور ارلانتز لیزوندیا، از نویسندگان مطالعه، باور دارد که چوب پتانسیل بالایی دارد:
«چوب یکی از در دسترس‌ترین مواد زیستی است، اما فراتر از کاربردهای مرسومش، به‌ندرت برای کاربردهای با عملکرد بالا بررسی شده است.»
اگر بتوان این محدودیت‌ها را کنترل کرد، چوب می‌تواند جایگزینی دوستدار اقلیم برای مواد سنگین نفتی باشد؛ ماده‌ای کربن‌دوست که روی درخت می‌روید.
مهندسی چوب با کمک قارچ و زمین‌شناسی
الهام از طبیعت
در چوب دفن‌شده باستانی، گرما و فشار اندک به همراه آنزیم‌های میکروبی، پلیمر آمورفی لیگنین (که فیبرهای سلولز را به هم می‌چسباند) را به‌تدریج تجزیه می‌کنند.
این فرآیند باعث بازپلیمریزاسیون مولکول‌ها و ایجاد شبکه‌ای متراکم و آب‌گریز می‌شود. تیم تحقیقاتی باسک–چین این تکامل را با سه گام عمدی شتاب دادند:
۱. گوارش انتخابی با قارچ
تخته‌هایی از چوب سپیدار و کاج رادیاتا، با قارچ‌های پوسیدگی سفید آلوده شدند. این قارچ‌ها طی چند روز، پیوندهای خاصی در لیگنین را تجزیه کردند، ساختار میکروسکوپی را شل کردند و اسکلت سلولز را تقریباً دست‌نخورده باقی گذاشتند.
۲. پالایش شیمیایی
با یک شست‌وشوی قلیایی ملایم، رشد قارچ متوقف و باقی‌مانده‌های مولکولی سبک حذف شد تا بستر مناسبی برای پیوندهای جدید فراهم شود.
۳. پرس داغ تحت فشار بالا
تخته‌ها در دمای بالای ۱۸۰ درجه سانتی‌گراد پرس شدند. دیواره‌های سلولی فروپاشیدند، منافذ از بین رفتند و قطعات لیگنین شکسته با پیوندهای کربن–کربن به هم جوش خوردند. نتیجه: تخته‌ای متراکم و شاخ‌مانند.
این روش زیست‌گرمایی–مکانیکی، تا ۸۵٪ از جرم اولیه چوب را حفظ می‌کند – بسیار بالاتر از «ابرچوب‌های» اسیدی – و به انرژی و حلال زیادی نیاز ندارد.
چوبی با استحکام استثنایی
مقاومت کششی بالا
آزمایش‌های مکانیکی نشان دادند که BioStrong Wood می‌تواند تنش‌های کششی بالای ۵۳۰ مگاپاسکال را تحمل کند – کمی بیشتر از فولاد ضدزنگ رایج با ۵۲۰ مگاپاسکال – و یازده برابر بیشتر از چوب خام انرژی پیش از شکستن جذب می‌کند.
پایداری در برابر دما و رطوبت
- مقاومت خمشی آن سه برابر شده است
- در دماهای -۱۹۶ درجه تا ۱۲۰ درجه سانتی‌گراد خواص خود را حفظ می‌کند
- زاویه تماس آب نزدیک به ۱۴۰ درجه مانع از جذب رطوبت می‌شود
- در اتاقک‌های شبیه‌سازی شده، هیچ تورم یا کپک‌زدگی دیده نشد
ساختار داخلی بازطراحی‌شده
- بلورینگی سلولز با فشار افزایش یافته
- حفره‌ها تقریباً به‌طور کامل حذف شده‌اند
- لیگنین بازپیکربندی‌شده همانند اپوکسی مولکولی، فیبرهای سلولز را به هم چسبانده و مانع نفوذ آب و اکسیژن شده است
هر تخته، یک مخزن جذب کربن
ارزیابی چرخه عمر
بر اساس استانداردهای تحلیل چرخه عمر، هر ۱ کیلوگرم از BioStrong Wood، حدود ۱.۲ کیلوگرم دی‌اکسید کربن خالص جذب می‌کند – حتی پس از محاسبه انرژی، مواد شیمیایی و کشت قارچ.
این در تضاد شدید با فولاد (۴.۲ کیلوگرم CO₂ برای هر کیلوگرم تولیدی) یا کامپوزیت‌های الیاف شیشه‌ای (~۵ کیلوگرم CO₂ برای هر کیو) است.
تحلیل اقتصادی
هزینه احتمالی تولید حدود ۰.۳۰ دلار آمریکا برای هر کیلوگرم تخمین زده شده – بسیار ارزان‌تر از پلیمرهای هوافضا و رقابتی با تخته چندلایه.
کاربردهای آینده برای «چوب قارچی»
گستره‌ای از کاربردهای نوآورانه
- پنل‌های خودرو
- هسته تجهیزات ورزشی
- قاب‌های مقاوم گوشی موبایل
- تیرهای اکسپوز با ظاهر چوب باستانی
- عایق‌های سرمایشی مقاوم به شوک حرارتی
از آنجا که این فرآیند با انواع چوب نرم و سخت قابل اجراست، می‌توان از باقی‌مانده‌های چوبی محلی استفاده کرد، بدون نیاز به واردات فولاد یا رزین‌های پتروشیمیایی.
از آزمایشگاه تا کارگاه چوب‌بری
مسیر صنعتی‌سازی
برای صنعتی شدن، نیاز به فناوری پرس پیوسته، راکتورهای سریع پرورش قارچ و کنترل کیفیت دقیق وجود دارد. همچنین کدهای ساخت‌وساز باید رفتار آتش‌گیری این چوب‌ها را مشخص کنند – چالشی که در چوب‌های متراکم رایج است.
پایان عمر مفید
بازیافت چوب، مثلاً از طریق پیرولیز کنترل‌شده به زغال زیستی (biochar)، نیازمند تعریف فرآیندهای دقیق است.
دانشمندان اکنون در حال آزمایش گونه‌های قارچی جدید و زمان‌های کوتاه‌تر برای کاهش مدت فرایند از چند روز به چند ساعت هستند.
نتیجه‌گیری – چوب در لیگ حرفه‌ای مهندسی
داستان BioStrong Wood نشان‌دهنده تغییر پارادایم بزرگ‌تری است. مهندسان بار دیگر به مواد زیستی روی آورده‌اند، نه برای تازگی، بلکه برای جایگزینی مواد آلاینده در سطح سازه‌ای.
از فوم‌های مایسلیوم گرفته تا فیلم‌های سلولز باکتریایی، و حالا چوب مقاوم‌شده با قارچ، جعبه‌ابزار مواد تجدیدپذیر با عملکرد بالا در حال گسترش است.
این مطالعه نشان می‌دهد که وقتی طبیعت بخشی از شیمی را انجام دهد، می‌توان از محدودیت‌های سنتی چوب عبور کرد. این، راه را به‌سوی استحکام فولادی بدون ردپای کربن فولاد می‌گشاید.
اگر آزمایش‌ها موفق باشند، تخته‌هایی از این جنس ممکن است به‌زودی بر فراز آسمان‌خراش‌ها یا حتی پوشش موشک‌ها دیده شوند. حتی در مهندسی پیشرفته نیز، چوب خوش‌ساخت هنوز می‌تواند با فلز رقابت کند.