Preparation and Pore Structure Characterization of Balsa Wood (Ochroma pyramidale)/GO Composites

الخشب مادة طبيعية مبنية ببنية داخلية معقدة، وهي عبارة عن شبكة من القنوات والفجوات الصغيرة التي كانت تحمل الماء والمواد المغذية في شجرة حية. وفي الأشجار سريعة النمو مثل خشب البالسا، تكون هذه الشبكة مفتوحة وفسيحة بشكل خاص، لكن الخشب نفسه غالبًا ما يكون ناعمًا وضعيفًا للغاية للعديد من الاستخدامات الإنشائية. لطالما سعى العلماء لإيجى طرق لتقوية هذه المادة أو منحها قدرات جديدة، مثل توصيل الكهرباء أو تخزين الطاقة. ويكمكم المفتاح لهذه التحولات في فهم وإعادة تشكيل مسام الخشب الداخلية. فمن خلال إزالة بعض الغراء الطبيعي الذي يربط ألياف الخشب بعناية ثم ملء المساحات الفارغة الناتلة بمواد متطورة، يمكن للباحثين إنشاء مركبات أقوى وأكثر وظيفية من الخشب الأصلي. ويتمثل التحدي في إيجاد التوازن الصحيح: فإزالة الكثير من البنية تضعف المادة، بينما ملء المسام بكثافة كبيرة يسد المسارات اللازمة للوظائف الجديدة.

في دراسة حديثة، استكشف باحثون في جامعة شانشي داتونغ كيفية تحسين هذه العملية باستخدام خشب البالسا ومادة تسمى أكسيد الجرافين. أكسيد الجرافين هو عبارة عن ورقة كربون ثنائية الأبعاد رقيقة غنية بالمجموعات الكيميائية القائمة على الأكسجين، مما يجعله شديد التفاعل وقادرًا على الالتصاق بالأسطح الأخرى. أراد الفريق معرفة ما إذا كان بإمكانهم استخدام هذه المادة لتعديل بنية مسام الخشب الداخلية دون تدمير قوة الخشب الطبيعية. بدأوا بمعالجة شرائح من خشب البالسا بمزيج من مادتين كيميائيتين، هيدروكسيد الصوديوم وكبريتيت الصوديوم، مع تسخينهما إلى درجة حرارة محددة. يعمل هذا الحمام الكيميائي كمذيب لطيف، حيث يذيب بعض اللجنين والهيميسليلوز —وهي الروابط الطبيعية في الخشب— لتوسيع المسام الموجودة وربطها بفعالية أكبر. وبعد اختبار تركيزات ودرجات حرارة مختلفة، وجد الفريق أن مزيجًا محددًا يحتوي على خمسين جرامًا لكل لتر من كل مادة كيميائية، مسخنًا إلى سبعين درجة مئوية لمدة ساعتين، أعطى أفضل النتائج. لقد أدت هذه المعالجة إلى تكبير متوسط حجم المسام بشكل كبير وفتحت المسارات الداخلية، مما جعل الخشب أكثر قابلية للوصول للخطوة التالية.

بمجرد تجهيز الخشب، أدخل الباحثون أكسيد الجرافين. قاموا بنقع الخشب المعالج في محاليل تحتوي على كميات مختلفة من المادة، باستخدام الفراغ لسحب السائل إلى عمق الخشب. كان الهدف هو معرفة كيف سيستقر أكسيد الجرافين داخل المسام وكيف ستغير الكميات المختلفة من أكسيد الجرافين بنية الخشب. وباستخدام مجاهر قوية، لاحظ الفريق أن أكسيد الجرافين قد تغلغل بنجاح داخل الخشب وطلاء الجدران الداخلية للأوعية، مكونًا رابطة مستقرة مع ألياف الخشب من خلال التجاذبات الكيميائية. والأهم من ذلك، أن المعالجة لم تضر البنية البلورية الأساسية للخشب، مما يعني أن القوة الطبيعية لألياف السليلوز ظلت سليمة. كما وجد الباحثون أن إضافة أكسيد الجرافين جعلت الخشب أكثر مقاومة للاحتراق عند درجات الحرارة العالية، حيث ساعدت المادة الخشب على تكوين طبقة واقية أكثر استقرارًا عند التسخين.

كان الاكتشاف الأكثر أهمية يتعلق بكيفية تغيير كمية أكسيد الجرافين لحجم واتصال المسام. فعندما كان التركيز منخفضًا جدًا، تميل المادة إلى الامتزاز عند أعناق المسام الكبيرة (macropores)، مما يشكل طبقة حاجز تقلل فعليًا من المساحة القابلة للاستخدام. وعندما كان التركيز مرتفعًا جدًا، تتراكم طبقات أكسيد الجرافين وتملأ المسام الكبيرة تمامًا، مما يسد المسارات ويدمر البنية المفتوحة. ومع ذلك، عند تركيز محدد يبلغ ثلاثة أجزاء في الألف، وجد الباحثون "نقطة مثالية". عند هذا المستوى، طور المركب بنية مسامية هرمية، مما يعني أنه احتفظ بمزيج من المسام الكبيرة والمتوسطة والصغيرة. المسام الكبيرة، التي كانت عرضها آلاف النانومترات في الأصل، ظلت مفتوحة ومتصلة، بينما تقلص حجم المسام المتوسطة قليلاً ولكنها ظلت وظيفية. سمح هذا التوازن المحدد للمادة بالحفاظ على اتصال ممتاز في جميع أنحاء الخشب مع اكتساب فوائد الجرافين المضاف. وتخلص الدراسة إلى أنه من خلال ضبط المعالجة الكيميائية وكمية أكسيد الجرافين بعناية، يمكن هندسة الخشب ببنية داخلية متطورة يمكن أن تكون مفيدة في تطبيقات متقدمة، بشرما توفر التركيز الصحيح لتجنب انسداد القنوات التي تحتاج المادة للعمل من خلالها.