Przełom w Materiałoznawstwie: Biochar Osiąga Wytrzymałość Stali Konstrukcyjnej dzięki Hierarchicznej Strukturze Drewna

Badania naukowe prowadzone przez zespół z Uniwersytetu w Toronto zapowiadają fundamentalną rewolucję w inżynierii materiałowej, sugerując, że odpowiednio przetworzony biochar może dorównywać właściwościami mechanicznymi stali niskowęglowej. Publikacja z 21 października 2025 roku w czasopiśmie „Biochar X” przedstawia ilościowe ramy dla projektowania monolitycznego biocharu o przewidywalnych parametrach wytrzymałościowych, co wykracza poza dotychczasowe zastosowania tego materiału w remediacji środowiskowej.

Prace te, kierowane przez Profesora Charlesa Q. Jii z Laboratorium Zielonych Technologii na Uniwersytecie w Toronto, objęły analizę biocharu wytworzonego z siedmiu gatunków drewna, w tym klonu, sosny, bambusa oraz afrykańskiego żelaznego drewna. Poprzez pirolizę w zakresie temperatur od 600 do 1000 stopni Celsjusza, naukowcy ustalili, że zarówno wybór surowca, jak i temperatura obróbki termicznej krytycznie wpływają na twardość końcowego materiału. W szczególności, biochar uzyskany z afrykańskiego żelaznego drewna osiągnął twardość osiową na poziomie 2,25 gigapaskala, co jest bezpośrednim porównaniem do powszechnie stosowanej stali konstrukcyjnej. W skład zespołu badawczego wchodzili również Qinyi Wang, Yating Ji, Mohana M. Sridharan, Lizhong Lang, Yu Zou i Donald W. Kirk.

Kluczowym odkryciem była ekstremalna anizotropia zaobserwowana w próbkach z choiny kanadyjskiej, gdzie twardość mierzona wzdłuż osi była aż 28,5-krotnie wyższa niż twardość mierzona poprzecznie. Za pomocą zaawansowanych technik mikro- i nanonaciskania zespół wykazał, że ta uderzająca kierunkowość wynika z hierarchicznej sieci porów naturalnie obecnej w strukturze drewna, a nie z samego materiału węglowego. Co istotne, na poziomie nanometrycznym twardość wszystkich analizowanych próbek była niemal identyczna, co wskazuje na stałość podstawowych właściwości ścian komórkowych niezależnie od gatunku czy kierunku pomiaru.

Profesor Jia podkreśla, że biochar przestaje być postrzegany wyłącznie jako środek do sekwestracji węgla i regulacji wilgotności w budownictwie, a staje się pełnoprawnym materiałem konstrukcyjnym. Możliwość precyzyjnego dostrojenia właściwości mechanicznych poprzez manipulację surowcem i warunkami pirolizy daje inżynierom narzędzie do tworzenia materiałów, które naturalnie wpisują się w cykl obiegu materii. Potencjalne zastosowania obejmują wytwarzanie elektrod o wysokiej wytrzymałości, lekkich kompozytów oraz filtrów kierunkowych, co minimalizuje potrzebę polegania na tradycyjnych, energochłonnych surowcach.