۳۱ اکتبر ۲۰۲۵، عکس از نویسنده: نیتیکا والتر-تصویر نمایشی از ماده‌ای شبیه زغال، بیوچار.گتی ایمیجز
چوب که مدت‌ها به خاطر زیبایی و استحکام طبیعی‌اش مورد تحسین قرار می‌گرفت، اکنون الهام‌بخش یک ماده کربنی به اندازه کافی سخت برای رقابت با فولاد شده است.محققان دانشگاه تورنتو کشف کرده‌اند که بیوچار مشتق شده از چوب می‌تواند در صورت اندازه‌گیری در جهت صحیح، به سطوح سختی قابل مقایسه با فولاد نرم دست یابد.
مطالعه جدید آنها نشان می‌دهد که جهت آزمایش بیوچار می‌تواند سختی آن را بیش از بیست و هشت برابر تغییر دهد و نشان می‌دهد که چگونه ساختار داخلی چوب بر عملکرد مواد کربنی تأثیر می‌گذارد.این یافته می‌تواند عصر جدیدی از مواد کربنی پایدار را برای دستگاه‌های انرژی، فیلترها و سیستم‌های سازه‌ای آغاز کند.
بیوچار، یک جامد غنی از کربن که با حرارت دادن زیست‌توده بدون اکسیژن تولید می‌شود، معمولاً برای بهبود خاک و پاکسازی آلاینده‌ها ارزشمند بوده است.اما پتانسیل مکانیکی آن تا حد زیادی ناشناخته مانده است. این تحقیق این فرض را کاملاً تغییر می‌دهد و بیوچار را نه تنها به عنوان یک ماده زیست‌محیطی، بلکه به عنوان یک بلوک ساختمانی آینده برای مهندسی سبز قرار می‌دهد.
این مطالعه بر بیوچار یکپارچه، بلوک‌های جامد چوب کربنیزه شده که ساختار اصلی دانه و منافذ چوب را حفظ می‌کنند، تمرکز دارد. محققان دریافتند که این ساختارها کلید استحکام قابل توجه و سختی جهت‌دار آن هستند.
این تیم به رهبری پروفسور چارلز جیا در آزمایشگاه فناوری سبز، بیوچار هفت گونه چوب، از جمله افرا، کاج، بامبو و چوب آهن آفریقایی را آزمایش کردند.نمونه‌ها بین ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد گرم شدند، که هم دما و هم نوع چوب نقش اصلی را در تعیین استحکام ایفا می‌کردند.
بیوچار چوب آهن آفریقایی به سختی محوری ۲.۲۵ گیگاپاسکال رسید که با فولاد نرم برابری می‌کند. از سوی دیگر، چوب شوکران تفاوت‌های جهتی شدیدی را نشان داد، به طوری که سختی در امتداد دانه ۲۸.۵ برابر بیشتر از سختی در عرض آن بود.
با استفاده از ابزارهای میکرو و نانو فرورفتگی، تیم سختی را در مقیاس‌های مختلف اندازه‌گیری کرد. آنها کشف کردند که این ناهمسانگردی قابل توجه یا رفتار وابسته به جهت، نه از خود کربن، بلکه از شبکه منافذ پیچیده چوب سرچشمه می‌گیرد.
در مقیاس نانو، سختی همه نمونه‌ها تقریباً یکسان بود، که نشان می‌دهد خواص دیواره سلولی در گونه‌ها و جهت‌های مختلف ثابت می‌ماند.محققان همچنین همبستگی قوی بین سختی، چگالی حجمی و محتوای کربن یافتند. بیوچار متراکم‌تر با کسرهای کربنی بالاتر در برابر تغییر شکل مقاوم‌تر بود و نقشه راهی برای تنظیم عملکرد از طریق انتخاب مواد اولیه و شرایط پیرولیز ارائه می‌دهد. مقالات پیشنهادی
پروفسور جیا گفت: «این یافته‌ها نشان می‌دهد که بیوچار فقط یک ماده زیست‌محیطی نیست، بلکه یک ماده ساختاری است. با حفظ معماری طبیعی چوب، می‌توانیم مواد کربنی پایدار با خواص مکانیکی هدفمند مناسب برای کاربردهای صنعتی خاص طراحی کنیم.»
کاربردهای احتمالی از الکترودهای با استحکام بالا در سیستم‌های انرژی گرفته تا کامپوزیت‌های سبک و فیلترهای جریان جهت‌دار متغیر است.مهندسان می‌توانند موادی را طراحی کنند که در یک جهت سفت و در جهت دیگر انعطاف‌پذیر باشند و عملکرد چوب طبیعی را منعکس کنند.
این مطالعه با رمزگشایی از معماری پنهان چوب، اولین چارچوب کمی را برای طراحی بیوچار یکپارچه با رفتار مکانیکی قابل پیش‌بینی ارائه می‌دهد و دنیای علم مواد و پایداری را به هم پیوند می‌دهد.
این تحقیق در Biochar X منتشر شده است.
