На строительный сектор в настоящее время приходится 30-40% всех выбросов углерода, как из-за энергоемкого производства материалов (преимущественно стали и бетона), так и из-за энергии, используемой для отопления и охлаждения готовых зданий. По мере того, как население мира растет и все чаще проживает в городах, традиционные подходы к строительству становятся неустойчивыми.
Возобновляемые материалы на растительной основе, такие как бамбук, обладают огромным потенциалом для создания экологически чистых и энергоэффективных зданий.
Их использование значительно сократит выбросы по сравнению с традиционными материалами, что поможет смягчить влияние человека на изменение климата. Такой подход также поможет предотвратить попадание углерода в атмосферу, отвлекая древесину от сжигания в качестве топлива.
Исследование включало сканирование поперечных срезов сосудистой ткани бамбука, ткани, которая переносит жидкость и питательные вещества внутри растения. Полученные изображения показали сложную структуру волокон с чередующимися слоями толстых и тонких клеточных стенок.
Пики теплопроводности в структуре бамбука совпадают с более толстыми стенками, где цепочки целлюлозы – основного структурного компонента стенок растительных клеток – укладываются почти параллельно стеблю растения. Эти более толстые слои также придают бамбуку прочность и жесткость.
Напротив, более тонкие клеточные стенки имеют более низкую теплопроводность из-за того, что цепочки целлюлозы расположены почти под прямым углом к стеблю растения.
«Природа – потрясающий архитектор. "Бамбук структурирован очень умно", – сказал Даршил Шах, исследователь факультета архитектуры Кембриджского университета, который руководил исследованием. "Он растет на один миллиметр каждые девяносто секунд, что делает его одним из самых быстрорастущих растительных материалов. По изображениям, которые мы собрали, мы видим, что это достигается за счет создания естественной поперечно-ламинированной волокнистой структуры."
Несмотря на то, что было проведено много исследований клеточной структуры бамбука в зависимости от его механических свойств, почти ни одно из них не изучало, как клеточная структура влияет на тепловые свойства материала.
Объем отопления и охлаждения, необходимый в зданиях, в основном зависит от свойств материалов, из которых они сделаны, в частности от того, сколько тепла они проводят и хранят.
Лучшее понимание тепловых свойств бамбука дает представление о том, как снизить потребление энергии бамбуковыми зданиями. Он также позволяет моделировать поведение компонентов бамбуковых зданий при воздействии огня, чтобы можно было принять меры, чтобы сделать бамбуковые здания более безопасными.
«Люди могут беспокоиться о пожарной безопасности бамбуковых построек», – сказал Шах. «Чтобы решить эту проблему, мы должны понимать термические свойства строительного материала.
Благодаря нашей работе мы видим, что тепло распространяется по опорным волокнам толстой клеточной стенки в бамбуке, поэтому при воздействии тепла огня бамбук может быстрее размягчиться в направлении этих волокон. Это помогает нам решить, как правильно укрепить здание."
В настоящее время такие продукты, как ламинированный бамбук, чаще всего используются в качестве напольных покрытий из-за их твердости и долговечности.
Тем не менее, их жесткость и прочность сопоставимы с конструктивными деревянными изделиями, что делает их пригодными для использования в строительстве. «Поперечно-клееный брус – популярный выбор деревянного строительного материала. Он сделан путем склеивания слоев пиломатериалов под прямым углом к слою ниже ", – сказал Шах. "Увидеть это как естественную структуру бамбуковых волокон – это вдохновение для разработки лучших строительных продуктов."
Команда исследователей из Кембриджского университета и Венского университета природных ресурсов и наук о жизни также планирует изучить, что происходит с тепловым потоком в бамбуке, когда его поверхность обжигается и образует обугленный. Использование сканирующей термической микроскопии для визуализации сложного строения растений также может быть полезно в других областях исследований, таких как понимание того, как микроструктурные изменения в стеблях сельскохозяйственных культур могут вызвать их опрокидывание на полях, что приведет к потере урожая.
Шах является членом междисциплинарного центра инноваций в области природных материалов Кембриджского университета, целью которого является продвижение использования древесины в строительстве за счет изменения свойств древесины в масштабах ткани, чтобы сделать ее более надежной в меняющихся условиях окружающей среды.