علماء يبتكرون “خشبًا خارقًا” أقوى بعشر مرات من الفولاذ

صممت شركة أمريكية نوعا جديدا من الخشب تقول إنه يتمتع بنسبة قوة إلى وزن تصل إلى 10 أضعاف الفولاذ، في حين أنه أخف وزنا بما يصل إلى ستة أضعاف.

تم إطلاق “Superwood” للتو كمنتج تجاري، تم تصنيعه بواسطة InventWood، وهي شركة شارك في تأسيسها عالم المواد Liangbing Hu.

منذ أكثر من عقد من الزمان، بدأ هو جين تاو سعيه لإعادة اختراع واحدة من أقدم مواد البناء التي عرفتها البشرية. أثناء عمله في مركز ابتكار المواد بجامعة ميريلاند، اكتشف هو، الذي يعمل الآن أستاذًا في جامعة ييل، طرقًا مبتكرة لإعادة هندسة الأخشاب. حتى أنه جعله شفافًا عن طريق إزالة جزء من أحد مكوناته الرئيسية، وهو اللجنين، الذي يمنح الخشب لونه وبعضًا من قوته.

ومع ذلك، كان هدفه الحقيقي هو جعل الخشب أقوى، باستخدام السليلوز، المكون الرئيسي للألياف النباتية و”البوليمر الحيوي الأكثر وفرة على هذا الكوكب”، وفقًا لما ذكره هو.

جاء الاختراق في عام 2017، عندما قام هو جين تاو لأول مرة بتعزيز الخشب العادي عن طريق معالجته كيميائيا لتعزيز السليلوز الطبيعي، مما يجعله مادة بناء أفضل.

تم غلي الخشب أولاً في حمام من الماء ومواد كيميائية مختارة، ثم تم ضغطه على الساخن لطيه على المستوى الخلوي، مما يجعله أكثر كثافة بشكل ملحوظ. وفي نهاية العملية التي استمرت أسبوعًا، كان للخشب الناتج نسبة قوة إلى وزن “أعلى من معظم المعادن الهيكلية والسبائك”، وفقًا للدراسة. نشرت في مجلة الطبيعة.

الآن، بعد سنوات من إتقان هو للعملية وتقديم أكثر من 140 براءة اختراع، تم إطلاق Superwood تجاريًا.

أوضح أليكس لاو، الرئيس التنفيذي لشركة InventWood، الذي انضم إلى الشركة في عام 2021: “من الناحية الكيميائية والعملية، إنه الخشب”. وفي المباني، سيسمح ذلك ببناء هياكل يحتمل أن تكون أخف بأربع مرات مما هي عليه اليوم، كما قال لاو، مما يعني أنها ستكون أكثر مقاومة للزلازل، وكذلك أسهل على الأساسات، مما يجعل البناء أسرع وأسهل.

وأضاف لاو: “يبدو مثل الخشب تمامًا، وعندما تختبره، فإنه يتصرف مثل الخشب، إلا أنه أقوى بكثير وأفضل من الخشب في كل الجوانب التي اختبرناها تقريبًا”.

هل ينافس الفولاذ؟

وقال لاو إن InventWood تقوم بتصنيع Superwood في مصنعها في فريدريك بولاية ميريلاند، وعلى الرغم من أن وقت الإنتاج يُقاس الآن بالساعات بدلاً من الأيام، إلا أن الأمر سيستغرق بعض الوقت لتوسيع نطاقه.

في البداية، تخطط الشركة للتركيز على التطبيقات الخارجية مثل التزيين والكسوة، قبل الانتقال إلى التطبيقات الداخلية مثل ألواح الجدران والأرضيات والأثاث المنزلي في وقت ما من العام المقبل.

قال لاو: “يشكو الناس دائمًا من أن الأثاث ينهار بمرور الوقت، وغالبًا ما يكون ذلك بسبب ارتخائه أو انهياره عند الوصلات، والتي تكون مصنوعة حاليًا من المعدن لأن الخشب ليس قويًا بدرجة كافية”. وقال إنه يمكن استخدام الخشب الفائق لاستبدال هذه الأجزاء، بالإضافة إلى البراغي والمسامير وغيرها من أدوات التثبيت المعدنية.

في نهاية المطاف، يتوقع لاو أنه يمكن بناء مبنى كامل من الخشب الخارق، على الرغم من أن ذلك يتطلب المزيد من الاختبارات.

وكما هو الحال في تجربة هو الأصلية، يتم تقوية الخشب من خلال عملية كيميائية تغير البنية الأساسية للسليلوز ويتم ضغطه بإحكام شديد دون أن يرتد مرة أخرى. وقال لاو: “من الناحية النظرية، يمكننا استخدام أي نوع من المواد الخشبية”. “من الناحية العملية، قمنا باختبار 19 نوعًا مختلفًا من الخشب بالإضافة إلى الخيزران، وقد نجحنا في ذلك جميعًا.”

يقول InventWood إن Superwood أقوى بما يصل إلى 20 مرة من الخشب العادي وأكثر مقاومة للخدوش بما يصل إلى 10 مرات، لأن البنية المسامية الطبيعية للخشب قد انهارت وتصلبت. وهذا يجعلها منيعة للفطريات والحشرات. كما أنها تحصل على أعلى تصنيف في اختبارات مقاومة الحريق القياسية.

تبلغ تكلفة الأخشاب الفائقة حاليًا أكثر من الأخشاب العادية ولها أيضًا بصمة كربونية أكبر في التصنيع، لكن لاو قال إنه بالمقارنة مع تصنيع الصلب، فإن انبعاثات الكربون أقل بنسبة 90٪.

وأضاف أن الهدف هو “ألا نكون أرخص من الخشب، بل أن نكون قادرين على المنافسة مع الفولاذ”، عندما يتوسع التصنيع.

اتجاه الأخشاب

توجد أنواع أخرى من الأخشاب المهندسة كمواد بناء لفترة طويلة، لكن InventWood تقول إن هذه ببساطة قطع من الخشب أعيد ترتيبها وتم ربطها معًا بمواد لاصقة، بدلاً من الخشب الذي تم تعديله على المستوى الجزيئي مثل Superwood.

وقد شهد بناء الأخشاب انتعاشًا في السنوات الأخيرة، ويستخدم الخشب الآن في بناء ناطحات السحاب. كشفت مدينة ميلووكي – التي تستضيف بالفعل أطول برج خشبي في العالم، Ascent MKE الذي يبلغ ارتفاعه 284 قدمًا (87 مترًا) – عن خطط لبناء برج أطول، بارتفاع هائل يبلغ 600 قدم (183 مترًا).

في الوقت الحالي، تعد الخرسانة مادة البناء الأكثر استخدامًا على وجه الأرض، وعلى الرغم من استقرار إنتاجها في السنوات الأخيرة، فإن صناعة الخرسانة تولد 7٪ من انبعاثات الكربون العالمية.

وقال فيليب أولدفيلد، أستاذ الهندسة المعمارية ورئيس كلية البيئة المبنية في جامعة نيو ساوث ويلز، في أستراليا، والذي لا يشارك في InventWood، إن الأخشاب لها فوائد بيئية مقارنة بالعديد من مواد البناء الأخرى لأن عمليات إنتاجها أقل كثافة من الصلب والخرسانة، كما أن الأخشاب تخزن ثاني أكسيد الكربون في كتلتها الحيوية الخشبية من خلال عملية التمثيل الضوئي. وأضاف: “يمكن اعتبار المنتجات الخشبية نظامًا لتخزين الكربون على المدى الطويل، والبناء باستخدام الخشب يمكن أن يؤدي إلى احتجاز انبعاثات الكربون في المباني لفترات طويلة من الزمن في مدننا”.

ومع ذلك، يشير إلى أن المنتجات الخشبية الحالية تتنافس بالفعل مع الفولاذ والخرسانة. وأوضح أن “العائق أمام المزيد من المباني الخشبية ليس في الحقيقة الحاجة إلى مزيد من القوة، بل إن صناعة البناء والتشييد تتجنب المخاطرة وبطيئة في التغيير”.

وقال إنه لرؤية المزيد من الأخشاب في المباني، نحتاج إلى تعليم أفضل ومشاريع تجريبية وأطر تنظيمية محسنة: “لكن المنتجات الخشبية الأقوى مثل هذا الأخشاب الفائقة يمكن أن تسمح للمهندسين المعماريين بإنشاء مساحات أكبر وتشطيبات أكثر متانة باستخدام الأخشاب، الأمر الذي سيكون بالتأكيد مفيدًا ويمكن أن يعزز امتصاص المزيد من الأخشاب”.

لمزيد من الأخبار والنشرات الإخبارية لـ CNN، قم بإنشاء حساب على CNN.com