可視化竹子中的熱流可以幫助設(shè)計更節(jié)能和防火的建筑

改性天然材料將是可持續(xù)未來的重要組成部分，但首先需要對它們的特性有詳細的了解。熱量在竹子細胞壁上的流動方式已使用高級掃描熱顯微鏡進行了測繪，從而使人們對導熱系數(shù)的變化如何與竹子的優(yōu)雅結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來有了新的認識。這項發(fā)現(xiàn)發(fā)表在《科學報告》雜志上，將指導未來由天然材料制成的節(jié)能和防火建筑的發(fā)展。

的建筑行業(yè)目前占所有的30-40%的碳排放量，由于兩者的能量密集的生產(chǎn)材料(主要是鋼和混凝土)的，并且在加熱和冷卻成品建筑物中使用的能量。隨著全球人口的增長并越來越多地以城鎮(zhèn)為基地，傳統(tǒng)的建筑方法變得不可持續(xù)。

可再生的植物性材料，例如竹子，對于可持續(xù)和節(jié)能建筑具有巨大的潛力。與傳統(tǒng)材料相比，它們的使用將大大減少排放，有助于減輕人類對氣候變化的影響。這種方法還可以通過轉(zhuǎn)移木材以免于燃燒作為燃料，從而將碳保持在大氣之外。

該研究涉及掃描竹子維管組織的橫截面，該組織在植物體內(nèi)運輸液體和營養(yǎng)。產(chǎn)生的圖像顯示出錯綜復(fù)雜的纖維結(jié)構(gòu)，厚而薄的細胞壁交替出現(xiàn)。竹子結(jié)構(gòu)內(nèi)的導熱系數(shù)峰值與較厚的壁重合，纖維素鏈是植物細胞壁的基本結(jié)構(gòu)成分，幾乎與植物莖平行放置。這些較厚的層也使竹子具有強度和剛度。相反，由于纖維素鏈與植物莖幾乎成直角，因此較薄的細胞壁具有較低的熱導率。

負責這項研究的劍橋大學建筑系研究員達什希爾·沙(Darshil Shah)說：“自然是一位了不起的建筑師。竹子的構(gòu)造非常巧妙。” “它每九十秒增長一毫米，使其成為增長最快的植物材料之一。通過我們收集的圖像，我們可以看到它是通過生成自然的交叉層壓纖維結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的。”

馬德里機場竹林。信用：未飛濺

盡管已經(jīng)對竹的孔結(jié)構(gòu)與機械性能進行了大量研究，但幾乎沒有人關(guān)注孔結(jié)構(gòu)如何影響材料的熱性能。建筑物中所需的加熱和冷卻量從根本上與它們制成的材料的特性有關(guān)，特別是它們傳導和存儲的熱量多少。

對竹子的熱特性的更好理解為如何減少竹子建筑的能耗提供了見識。它還可以對竹建筑構(gòu)件在火中的行為方式進行建模，以便可以采取措施使竹建筑更安全。

沙阿說：“人們可能擔心竹建筑的消防安全。” “要正確解決這個問題，我們必須了解建筑材料的熱特性。通過我們的工作，我們可以看到熱量沿著竹子中支撐結(jié)構(gòu)的厚細胞壁纖維傳播，因此，如果暴露于火中，竹子可能會朝著這些纖維的方向更快地軟化。這有助于我們確定如何適當加固建筑物。”

目前，層壓竹等產(chǎn)品由于其硬度和耐久性而最常用作地板材料。但是，它們的剛度和強度可與工程木制品相媲美，因此也適用于結(jié)構(gòu)用途。沙阿說：“交叉層壓木材是木材建筑材料的一種流行選擇。它是通過將幾層鋸材粘合在一起而制成的，每一層都與下面的層成直角。” “將其視為竹纖維的天然結(jié)構(gòu)，是開發(fā)更好的建筑產(chǎn)品的靈感。”

來自劍橋大學和維也納自然資源與生命科學大學的研究人員小組還計劃研究竹子表面燃燒并形成炭時竹子中的熱流會發(fā)生什么。使用掃描熱顯微鏡對植物的復(fù)雜構(gòu)成進行可視化也可能在其他研究領(lǐng)域中有用，例如了解作物莖的微觀結(jié)構(gòu)變化如何導致其掉落在田間，從而導致收成下降。

莎(Shah)是劍橋大學自然材料創(chuàng)新跨學科中心的成員，該中心旨在通過改變木材的組織尺度特性，使其在不斷變化的環(huán)境條件下更可靠，來促進木材在建筑中的使用。