木材制備的生物炭實現鋼材級強度，可持續材料領域取得突破

木材衍生的生物炭達到類鋼強度，揭示自然結構如何引領下一代碳材料設計。

木材，長久以來因其自然之美與強度備受推崇，如今啟發研究人員創造出一種足以與鋼材媲美的堅固碳材料。

多倫多大學的研究人員發現，如果在特定方向上測量，由木材制成的生物炭可以達到與低碳鋼相當的硬度水平。

他們的新研究表明，測試生物炭的方向不同，其硬度變化可超過二十八倍，這揭示了木材的內部結構如何影響碳化材料的性能。

這一發現可能為能源設備、過濾器和結構系統領域開啟可持續碳材料的新紀元。

生物炭是一種通過在無氧條件下加熱生物質產生的富碳固體，傳統上其價值主要體現在改良土壤和凈化污染物方面。

但其機械性能潛力大多未被探索。這項研究徹底顛覆了這一觀念，將生物炭定位為不僅是環境材料，更是未來綠色工程的構建基元。

該研究聚焦于整體式生物炭，即保留了木材原始紋理和孔隙結構的固態碳化木塊。研究人員發現，這些結構是其卓越強度和方向性硬度的關鍵。

自然界的碳材料藍圖

在綠色技術實驗室的 Charles Jia 教授帶領下，團隊測試了七種木材（包括楓木、松木、竹子和非洲鐵木）制備的生物炭。

樣品在 600°C 至 1000°C 的溫度下加熱，溫度和木材種類在決定強度方面均扮演重要角色。

非洲鐵木生物炭的軸向硬度達到了 2.25 吉帕斯卡，與低碳鋼相當。而鐵杉木生物炭則表現出極端的定向差異，其順紋方向的硬度超出橫紋方向 28.5 倍。

利用微米和納米壓痕技術，團隊在多個尺度上測量了硬度。他們發現，這種顯著的各向異性（或稱方向依賴性行為）并非源于碳本身，而是源于木材錯綜復雜的孔隙網絡。

在納米尺度上，所有樣品的硬度幾乎相同，這表明細胞壁的特性在不同樹種和方向上保持一致。

從廢棄物到神奇材料

研究人員還發現硬度、體積密度和碳含量之間存在強相關性。具有更高碳含量的、更致密的生物炭更能抵抗變形，這為通過選擇原料和控制熱解條件來定制性能提供了路線圖。

"這些發現表明，生物炭不僅僅是一種環境材料，它還是一種結構材料，"Jia 教授說。

"通過保留木材的自然結構，我們可以設計出具有目標機械性能的可持續碳材料，適用于特定的工業應用。"

潛在的應用范圍廣泛，從能源系統中的高強度電極，到輕質復合材料和定向流動過濾器。

工程師們有可能設計出在一個方向上堅硬、而在另一個方向上柔韌的材料，從而模擬天然木材的性能。

通過解碼木材隱藏的結構，這項研究首次為設計具有可預測機械性能的整體式生物炭提供了定量框架，連接了材料科學與可持續發展的世界。

該研究發表在《Biochar X》期刊上。

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