Для качественного выполнения любой работы, независимо от сферы деятельности, от человека требуются знания, навыки и опыт. В дополнение к этому нужны инструменты, позволяющие выполнять работы либо облегчить этот процесс. Чем лучше медицинское оборудование, тем безопаснее пройдет операция; чем лучше нитки, тем качественнее будет предмет гардероба; чем лучше ПО и железо, тем быстрее и проще будет создана программа и т.д. Универсальным же инструментом практически для всех профессий является свет. Правильное освещение рабочего места не только упрощает выполнение задач, но и напрямую влияет на психо-физическое состояние того, кто их выполняет. Большинство материалов, используемых для оптического освещения, создаются из стекла, пластика и композитных материалов. Все они обладают хорошими физико-химическими свойствами, но не являются экологичными. Ввиду этого ученые из Американского химического общества (Вашингтон, США) разработали экологичный гидрофобный био-материал, способный излучать равномерный свет. Что послужило основой данной разработки, какие результаты показали эксперименты, и где может быть использована эта новинка? Свет на эти вопросы прольет доклад ученых. Поехали.
Основа исследования
Если есть необходимость создать что-то экологически чистое и био-разлагаемое, то лучшим кандидатом для этого будут материалы, встречающиеся в природе.
Ученые отмечают, что пленки на основе нанофибриллированной целлюлозы (NFC от nano-fibrillated cellulose) широко используются в оптических приложениях (оптические датчики, электроника, дисплеи и детали фотоэлементов) благодаря хорошим механическим свойствам целлюлозы, а также оптическим характеристикам и низкому коэффициенту теплового расширения.
Отлично и то, что структуру целлюлозной пленки и ее оптические свойства можно настраивать, однако имеются трудности в манипуляциях с ее механическими свойствами, ограниченными случайной ориентацией нанофибрилл целлюлозы.
Эту проблему все же удалось решить посредством выравнивания волокон с помощью самых разных методик: гидродинамическое формирование, мокрое формирование, механическое вытягивание, выравнивание электрического или магнитного поля и т.д.
Материалы с выровненными фибриллами целлюлозы обладают улучшенными механическими свойствами, но сопутствующая анизотропия оптических свойств ограничивает их использование для систем внутреннего освещения или солнечных элементов из-за неоднородного освещения и рассеяния.
Кроме того существует еще один важный фактор — гидрофобность. Вода, как мы знаем, крайне негативно влияет на целлюлозу и, следовательно, на ее рабочие характеристики и механические свойства. Логичным решением этой задачи является использование специального покрытия, обволакивающего целлюлозный материал, либо применение химической обработки для преобразования их гидрофильных гидроксильных групп в гидрофобные.
Из всего этого следует, что существуют материалы на основе целлюлозы, которые могли бы обладать отличными свойствами, но в комплекте с ними идут и проблемы, решение которых требует применения сложных методик. Грубо говоря, решаем одну проблему, как тут же возникает новая.
Авторов рассматриваемого нами сегодня исследования вышеперечисленное не напугало, поскольку в качестве целлюлозной основы их будущего «светильника» можно использовать делигнифицированную древесину. Ранее уже сообщалось о разработке методики по созданию прозрачной пленки на древесной основе, сочетающей в себе анизотропные оптические характеристики, гибкость, гидрофильность и отсутствие полимерной матрицы.
Такие прозрачные древесные композиты производятся для оптических материалов путем комбинации делигнифицированной древесины и полимеров, соответствующих показателю преломления (например, полиметилметакрилат или эпоксидная смола).
Казалось бы, вот и решение всех бед. Но и в этом материале сокрыты недостатки. Гидрофобные полимеры обладают низкой совместимостью с полисахаридами полярных каркасов (целлюлоза / гемицеллюлозы). Из-за этого на материале могут появляться микро-трещины, нарушающие его гидрофобность и оптические свойства. Вдобавок к этому такой материал не поддается формированию и имеет анизотропное рассеяние света, что сильно ограничивает возможное применение в аспекте внутреннего освещения. Те древесные композиты, что используются сейчас в качестве основы для освещения, делаются на базе полимеров. Следовательно, их экологичность крайне сомнительна.
В данном же исследовании ученые описывают процесс создания многофункциональной гибкой древесной пленки с высокими механическими характеристиками, которая может использоваться в оптическом освещении.
Изображение №1
Высокоуровневая целлюлозная матрица была получена путем удаления большей части лигнина и половины гемицеллюлозы из древесины с последующим внедрением квантовых точек* (КТ) CdSe/ZnS (1а).
Квантовая точка* — фрагмент проводника или полупроводника, носители заряда которого ограничены в пространстве по всем трем измерениям.Далее полученные образцы прессовали и сушили в условиях окружающей среды, а потом покрывали молекулами гидрофобного гексадецилтриметоксисилана (HDTMS или H3C(CH2)15Si(OCH3)3) посредством химического осаждения из паровой фазы.
Полученный люминесцентный целлюлозный материал является механически прочным, гибким, гидрофобным, но не содержит полимерной матрицы. Такие свойства делают его отличным кандидатом для применения в качестве оптического материала (1b).
Результаты исследования
Изображение №2
В качестве основы будущего люминисцентного био-материала было использовано бальзовое дерево (Ochroma pyramidale) с плотностью 0.17 г/см3 (вставка на 2а). На снимке поперечного сечения древесины (толщиной 1 мм) видны типичные тонкостенные волокна неправильной сотовой формы (2а).
Обработка делигнификацией привела к уменьшению флуоресценции, наблюдаемой во всех клеточных стенках, связанной с лигнином (2b). Исследование поперечных сечений делигнифицированной древесины выявило пористость микронного размера в сложной срединной ламелле и в клеточной стенке, а также поры нанометрового размера.
Порядка 93% лигнина, 49% гемицеллюлозы и 19% целлюлозы было удалено, что привело к 45% потери веса образца. Далее делигнифицированную древесину (во влажном состоянии) прессовали и сушили до достижения постоянного веса в условиях окружающей среды. В результате была получена уплотненная и не содержащая полимерной матрицы древесная пленка (ДП или WF от wood film) со слоистой структурой (толщина 60 мкм, плотность 1.2 г/см3), плоской поверхностью (вставка на 2d) и упакованными клетками, связанными друг с другом посредством водородных связей. При этом связки целлюлозных фибрилл сохраняли свою первоначальную ориентацию и выравнивание в направлении роста волокон (2e).
Далее клеточные стенки были пропитаны коллоидной суспензией люминесцентных квантовых точек CdSe/ZnS, диспергированных в толуоле. Раствор квантовых точек диффундировал в заполненные жидкостью стенки клеток до достижения равновесия. После этого была проведена еще одна процедура прессования и сушки (2f). В результате квантовые точки были буквально впечатаны в поверхность выровненных нанофибрилл целлюлозы (2g).
Толщина полученного образца люминисцентной древесной пленки (ЛДП или LWF от luminescent wood film) была немного больше, чем толщина пленки до обработки, что вызвано процессом пропитки. Ввиду этого пористость конечного образца была также выше (2d и 2f).
При воздействии УФ-лазера (v = 405 нм) ЛДП имела однородный спектр флуоресцентного излучения (вставка на 2f). Это указывает на то, что квантовые точки хорошо диспергированы в образце с некоторыми локальными агрегатами на поверхности пленки (вставка на 2h и 2i). Дополнительным подтверждением успешного внедрения квантовых точек стала энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия, показавшая наличие спектров Cd, Se, Zn и S, являющихся составными элементами квантовых точек. Проверка механических свойств образцов показала, что прочность на разрыв древесной пленки (WF) составила 394 МПа, а люминесцентной пленки (LWF) — 292 МПа (3а).
Изображение №3
Данные показатели объясняются сильно выровненной ориентацией целлюлозы, ее высокой кристалличностью, а также механическим сцеплением волокон.
При этом модуль Юнга LWF составил 24.4 ГПа, а модуль Юнга WF — 42.7 ГПа. Разница в этом показателе, вероятно, вызвана меньшим количеством водородных связей из-за более низкой плотности (1.14 против 1.2 г/см3) LWF и более высокой пористости в результате этапа внедрения квантовых точек (2f).
Ученые отмечают, что механические свойства обеих пленок (WF и LWF) значительно лучше, чем у аналогов, применяемых на данный момент. К примеру, значения прочности пленок выше, чем у большинства полимеров, эластомеров и пен (3b).
В поперечном направлении волокон в пленке WF наблюдается модуль Юнга 5.7 ГПа и прочность 76 МПа, а вот пленка LWF показала модуль Юнга 5.3 ГПа и прочность 64 МПа. Эти показатели также немного выше, чем у коммерческих полимеров (например, полиэфир, полипропилен и полиэтилен).
Графики 3с и 3d отображают оптические характеристики разработанной древесной пленки. Размещение пленки WF или LWF поверх напечатанного текста не закрывает его полностью (вставка на 3с). Стенки клеток обладают практически однородным показателем преломления (≈ 1.53), потому образец WF имеет высокую прозрачность (81%) на длине волны 550 нм (3с). Ввиду частотного поглощения и рассеяния света квантовыми точками прозрачность образца LWF (т.е. люминесцентной пленки) снизилась до 70%.
При возбуждении УФ-излучением квантовые точки в образце испускали и рассеивали оранжевый свет с λemi ≈ 585 нм (3d), равномерно распределенный по всей поверхности пленки.
Пик излучения был максимальным при длине волны возбуждения 440 нм и уменьшался при более высоких длинах волн. Как и ожидалось, интенсивность испускаемого света увеличивалась при увеличении концентрации квантовых точек в образце.
Далее были рассмотрены гидрофобные свойства образцов. Как правило целлюлозные материалы чувствительны к воде. Чтобы избежать этого, образцы WF и LWF были покрыты гидрофобными молекулами HDTMS (4a).
Изображение №4
Спектроскопия, показавшая наличие кремниевых элементов, подтвердила успешность добавления HDTMS на поверхность LWF (4b).
Образец WF с непокрытыми нанофибриллами целлюлозы на поверхности имел наименьший начальный угол контакта с водой (70°) и высокую скорость поглощения в течение первых 2 секунд (4c, слева). Добавление квантовых точек увеличивает гидрофобность, увеличивая угол контакта образца LWF до 118°, однако вода все еще абсорбируется.
После нанесения гидрофобного покрытия полученный образец LWF/HDTMS продемонстрировал угол контакта 139.6° и гораздо более низкую скорость водопоглощения (уменьшение на 2.3° за 180 секунд) по сравнению с LWF без покрытия (4c, справа).
Сравнение уровня влаги (4d) подтвердило, что образец LWF/HDTMS имел наименьший показатель в сравнении с образцами LWF или WF/HDTMS.
Данные результаты показывают, то гидрофобность пленки была увеличена за счет комбинированного действия квантовых точек и молекул HDTMS. По сравнению с WF, добавление гидрофобных частиц (т.е. квантовых точек) и слоя HDTMS увеличивало шероховатость поверхности LWF и WF/HDTMS, соответственно (4e). Низкая поверхностная энергия и повышенная шероховатость поверхности LWF/HDTMS позволили капле воды скользить вниз при наклоне пленки на 90°.
Важно и то, что гидрофобность пленки можно регулировать, увеличивая или уменьшая время химического осаждения из газовой фазы (ХОГФ или CVD от chemical vapor deposition), используемого для нанесения на образец слоя HDTMS. К примеру, образец WF/HDTMS достиг наивысшего краевого угла смачивания водой после 4 часов ХОГФ-обработки.
Внедрение слоя HDTMS также увеличило прочность на разрыв пленки WF. Образцы LWF/HDTMS показали прочность 306 ± 21 МПа во время тестов при относительной влажности 50%. Увеличение влажности до 75% привело к уменьшению прочности до 271 ± 16 МПа, а при влажности в 90% — до 232 ± 14 МПа. Самым очевидным объяснением этим изменениям является поглощение влаги, которое влияет на водородные связи между молекулами целлюлозы.
Несмотря на это, механические свойства полученных образцов все же остаются на достаточно высоком уровне. Анализ данных показывает важный аспект, который будет рассмотрен в дальнейших трудах, — нанесение слоя HDTMS в основном влияет на свойства поверхности, а не на сорбционные свойства внутри образца.
Изображение №5
После проверки свойств образцов были проведены практические испытания (5а), нацеленные на оценку рассеяния света.
Из-за анизотропной структуры WF рассеянный свет создавал эллипсоидальное пятно с разной интенсивностью в направлениях x и y (5b). Любопытно, но в случае образца LWF/HDTMS световое пятно было практически круглым (5с). Сходные интенсивности рассеянного света в направлениях x и y образца LWF/HDTMS можно приписать распределенным квантовым точкам, излучающим однородный световой узор. А вот световые лучи, проходящие через стекло и пластик, проецировались на детектор с низким рассеянием и образовывали пятна с небольшой интенсивностью.
Для измерения оптических свойств LWF было использовано два типа квантовых точек с разной длиной волны (5d). После внедрения того или иного типа квантовых точек, образец испускал зеленый или красный свет, а надпись под образцом была отчетливо видна (5е). Спектры фотолюминесцентного излучения показали длины волн излучения при λemi ≈ 550 нм для зеленого и λemi ≈ 640 нм для красного цвета. Посредством прессования и сушки эти образцы стали крайне гибкими на изгиб (5f).
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В данном труде ученые рассказали о новом типе био-материала, созданном на основе древесины. Во время изготовления тонкие пленки древесины оснащались квантовыми точками и покрывались слоем HDTMS. В результате были получены люминесцентные пленки, демонстрирующие высокую степень механической прочности и гидрофобности.
Полученный материал, как заявляют сами ученые, может стать заменой имеющихся на данный момент полимерных материалов в области внутреннего освещения, так как он не уступает коммерческим вариантам в аспекте как оптических, так и механических свойств. При этом люминесцентные древесные пленки отличаются высокой степенью биоразложения.
Конечно, на данном этапе пленки LWF далеки от идеала. В дальнейшем ученые намерены продолжить работу над ними, дабы повысить степень гидрофобности, улучшить оптические свойства и усовершенствовать процесс производства.
Несмотря на необходимые доработки, уже сейчас можно оценить потенциал подобных разработок. Правильное освещение, естественно, имеет большое значение для человека, но это не означает, что можно использовать материалы, пагубно влияющие на окружающую среду. Совершенствование имеющихся технологий, даже если они идеально работают, за счет повышения их экологичности это не глупая затея и не пустая трата времени, а достойное одобрения начинание. Мнений касательно состояния окружающей среды много, но факты и статистика беспощадно неопровержимы.
Конечно, исправить все за мгновение ока, как того хотят некоторые радикально настроенные индивиды, нельзя. На все нужно время, но благодаря подобным исследованиям и разработкам человечество сможет минимизировать неизбежный вред, которое оно оказывает на окружающую среду.
Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и отличных всем выходных, ребята! :)
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
