A legerősebb növényi rostok
Készülhet-e olyan kötél
csalánból, amelynek egyetlen rostja vetekszik az ipari üveg- vagy
szénszálakkal? Egy laboratóriumi vizsgálat szerint a himalájai óriáscsalán
egyedi háncsrostjainak átlagos szakítószilárdsága 4,45 gigapascal volt. A
szerzők ezt a háncsrostok addig közölt legnagyobb értékének nevezték (Lanzilao
et al. 2016). A szám meghökkentő, de a „legerősebb növényi rost” címhez előbb
azt is tisztázni kell, mit nevezünk rostnak és mit értünk erősségen.
A hétköznapi beszédben erős az,
ami nagy terhet bír el. A szakítóvizsgálatban azonban a töréshez szükséges erőt
elosztják a próbatest keresztmetszetével. Az így kapott feszültség a
szakítószilárdság, mértékegysége a pascal; a növényi rostoknál rendszerint
megapascalt vagy gigapascalt használnak. Egy gigapascal ezer megapascal. A
vékony rost csekély erőtől is elszakadhat, miközben az egységnyi
keresztmetszetre jutó terhelése rendkívül nagy.
A szakítószilárdság nem azonos a
merevséggel. A Young-modulus azt fejezi ki, mennyire nehéz rugalmasan
megnyújtani az anyagot: a nagy modulusú rost kevéssé enged a terhelésnek. A
szívósság pedig azt mutatja, mennyi energiát képes elnyelni a törésig. Egy rost
lehet nagyon szilárd, mégis rideg; egy másik kisebb feszültségnél szakad, de
előtte sokat nyúlik, ezért nagyobb lehet a szívóssága. A sűrűségre
vonatkoztatott, fajlagos szilárdság megint más versenyszám: könnyű
szerkezeteknél ez különösen fontos.
Maga a „rost” szó is több
szerveződési szintet takar. Az elemi rost egyetlen, megnyúlt, vastag falú
növényi sejt. A szárban vagy levélben sok ilyen sejt pektinben és más
sejtfalanyagokban gazdag köztes rétegekkel rostköteggé kapcsolódik. A fonásra
előkészített technikai rost gyakran több elemi rostból áll, a bambuszcsík pedig
már sok rostköteget és más szöveteket tartalmaz. A néhány nanométer vastag
cellulóz-nanorost ezzel szemben az elemi rost sejtfalának egyik építőeleme.
Ezeket nem szabad egyetlen rangsorba keverni.
A nagy szakítószilárdság alapját
minden kategóriában a cellulóz adja. Hosszú, egymással rendezett kapcsolatokat
kialakító cellulózmolekulák kristályos mikrofibrillumokba rendeződnek, amelyek
hemicellulózokból, pektinekből és – a rost típusától függően – ligninből álló
közegbe ágyazódnak. Ha a mikrofibrillumok kis szögben, közel a sejt
hossztengelyével párhuzamosan futnak, hatékonyan viselik a hosszirányú húzást.
A nagy cellulóztartalom és a kis mikrofibrillum-szög ezért sok erős háncsrost
közös jellemzője (Munawar et al. 2007).
A fő rekordjelölt, a himalájai
óriáscsalán, tudományos nevén Girardinia
diversifolia, egy 1,5–3 méter magas, csípős szőrű növény. Háncsrostjait
Nepál hegyvidéki közösségei régóta dolgozzák fel fonallá, szövetté és kötéllel
rokon termékekké. A rostokat a szár kérge alatt, a háncsrészben található
hosszú sejtek adják. A 2016-os vizsgálatban egy elemi rost átlagos hossza 478
milliméter volt, amit a szerzők a közölt háncsrostok között ugyancsak
rekordértéknek tekintettek (Lanzilao et al. 2016).
A kutatók ötven óriáscsalánrostot és összehasonlításként ötven közönséges csalánrostot vizsgáltak. A rostokat legalább 48 órán át 65%-os relatív páratartalmon és 20 ± 2 °C-on kondicionálták, majd 20 milliméteres próbahosszon szakították el. A Girardinia diversifolia átlaga 4451 ± 1313 megapascal, szakadási nyúlása 6,2 ± 1,3%, Young-modulusa pedig 73 ± 22 gigapascal volt (Lanzilao et al. 2016).
Ugyanebben a kísérletben a
közönséges csalán, az Urtica dioica
elemi rostjai 2196 ± 809 megapascal átlagos szakítószilárdságot értek el. Egy
korábbi, más mintákon végzett vizsgálat 1594 megapascalos átlagot, 87
gigapascalos Young-modulust és 2,11%-os szakadási nyúlást közölt (Bodros &
Baley 2008). A két csalánadat különbsége nem feltétlen ellentmondás: a
termőhely, a növény kora, a rost kinyerése, nedvessége és a mérési eljárás
egyaránt módosíthatja az eredményt.
A 4,45 gigapascalos érték olyan
magas, hogy majdnem elérte a tanulmányban összehasonlításként idézett
S-üvegszál 4,57 gigapascalját, és meghaladta az ott szereplő 4 gigapascalos
szénszáladatot. Ebből azonban nem következik, hogy bármely csalánkötél erősebb
bármely szénszálas terméknél. Az ipari szálaknak sokféle változata van, a kötél
és a kompozit teljesítményét pedig a szálak hossza, iránya, hibái, kapcsolódása
és térfogataránya is meghatározza (Lanzilao et al. 2016).
A rekord legfontosabb módszertani
részlete a keresztmetszet. A csalánrostok nem tömör, szabályos hengerek:
belsejükben üreg, lumen húzódik, alakjuk pedig lapított vagy szabálytalan
lehet. A kutatók transzmissziós elektronmikroszkópos képeken a teljes körvonal
területéből kivonták a lumenét, így csak a terhet viselő sejtfalat vették
figyelembe. A szakítóerőt azonban nem minden elszakított rost saját
keresztmetszetével, hanem másik ötven rostból számított átlagos területtel
osztották el (Lanzilao et al. 2016).
Ez nem teszi érvénytelenné a
mérést, de szűkíti a rekord jelentését. Egy olyan tanulmány, amely a lumen
területét is beleszámítja, vagy kör alakúnak feltételezi a rostot, ugyanahhoz a
szakítóerőhöz más feszültséget kap. Az egyedi keresztmetszet helyett használt
átlag pedig növeli az egyes eredmények bizonytalanságát. A 4,45 gigapascal
ezért a közölt, adott módszerrel számított háncsrostrekord erős jelöltje, nem
minden lehetséges eljárástól független, végleges világrekord.
A len, a Linum usitatissimum az összehasonlítás megbízhatóbb, sokat vizsgált
viszonyítási pontja. Tíz milliméteres próbahosszon az egyedi lenrostok átlagos
szakítószilárdsága 1339 ± 486 megapascal, Young-modulusa 54 ± 15 gigapascal,
szakadási nyúlása 3,27 ± 0,84% volt (Baley 2002). A nagy szórás itt nem
mellékes zaj: a természetes rostok nem gyárilag azonos szálak, hanem eltérő
fejlődéstörténetű sejtek.
A lenrost terhelés közben
fokozatosan merevebbé válhat. Ennek egyik oka, hogy a sejtfal kissé ferdén futó
cellulóz-mikrofibrillumai a húzás hatására a rost tengelye felé rendeződnek. A
szár meghajlásakor vagy a feldolgozás során keletkező töréssávok, úgynevezett
kink bandek viszont gyenge pontként viselkednek, és a szakadás gyakran ezek
közelében indul meg (Baley 2002). A rost szilárdsága tehát nemcsak kémiai
összetétel, hanem finomszerkezet és sérüléstörténet is.
A próbahossz szintén
megváltoztatja a rangsort. Hosszabb rostszakaszban nagyobb az esélye annak,
hogy súlyos hiba található; a szakadás pedig a leggyengébb helyen következik
be. A különböző mérési hosszúságokon vizsgált elemi lenrostok
szilárdságeloszlása ezt a „leggyengébb láncszem” hatást mutatta (Andersons et
al. 2005). Két szakítószilárdság csak akkor hasonlítható össze igazán, ha a
próbahossz, a befogás és az igénybevétel sebessége is hasonló.
A keresztmetszet mérési hibája a
lenrostoknál is jelentős. A rost átmérője hosszában változik, keresztmetszete
nem tökéletes kör, és a belső üreg mérete sem állandó. Ha egyetlen átmérőből
körterületet számítanak, a valódi területet és vele a szilárdságot erősen
félrebecsülhetik. Az egyedi lenrostok vizsgálata szerint a mérési
bizonytalanság mellett a szerkezeti hibák valódi biológiai változatossága is
nagy szórást okoz (Aslan et al. 2011).
A bambusz megmutatja, mennyit
számít a vizsgált szerveződési szint. Egy kísérletben a kémiai feltárással
elkülönített egyedi bambuszrostok átlagos szakítószilárdsága 1,77 gigapascal,
Young-modulusa 23,56 gigapascal, szakadási nyúlása 2,89% volt. A rostkötegek
szakítószilárdsága 65,5%-kal kisebbnek adódott az egyedi rostokénál, a nagyobb
bambuszcsíkok pedig ismét más eredményt adtak (Chen et al. 2015, 2016).
Az eltérés egyik oka, hogy
rostkötegben nemcsak az elemi sejtfalnak kell ellenállnia. Terheléskor a sejtek
közötti kapcsolatok elválhatnak, a kötegben a feszültség egyenetlenül oszolhat
el, a feldolgozás pedig felületi sérüléseket okozhat. A kémiai feltárás
eltávolítja a rostokat összekötő anyagok egy részét, ugyanakkor maga is
módosíthatja a sejtfalat. A mechanikailag elkülönített egyedi bambuszrostok
szakítószilárdsága csak 0,93 gigapascal volt a javított adatok szerint (Chen et
al. 2015, 2016).
A rostkötegek között igazságosabb
rangsort ad egyetlen vizsgálat, amelyben hét nem fás növényi rostot azonos
eljárással mértek. Ebben a ramie, a Boehmeria
nivea háncsrostkötege nyert: szakítószilárdsága 849 ± 108 megapascal,
Young-modulusa 28,4 ± 3,6 gigapascal volt. A második helyre az ananászlevél
rostja került 654 ± 46 megapascallal, majd a vizsgált anyósnyelv rostja
következett 562 ± 36 megapascallal (Munawar et al. 2007).
Ez a kisebb, közös módszerű
verseny azt is megmutatta, hogy a győztes a választott mérőszámtól függ. A
nyers szakítószilárdságot a ramie vezette, de a sűrűségre vonatkoztatott
fajlagos érték az anyósnyelvnél volt a legnagyobb: 631, míg a ramie 615-öt ért
el ugyanazon normalizált skálán. Az anyósnyelvet a tanulmány Sansevieria trifasciata néven közölte;
mai rendszertani neve Dracaena
trifasciata (Munawar et al. 2007).
A kókuszdió, a Cocos nucifera termésfalából származó
kókuszrost ebben a mezőnyben mindössze 137 ± 11 megapascalos
szakítószilárdságot mutatott, mégis a szívóssági verseny győztese lett. Törésig
elnyelt energiáját 21,5 ± 2,4 megapascalnak számították, szemben a ramie 16,0 ±
2,4 megapascaljával (Munawar et al. 2007). A kókuszrost nem óriási feszültséget
visel, hanem sokat nyúlik és közben energiát emészt fel – ezért párnázó, ütést
csillapító anyagként értékes.
A növényi rostok teljesítménye
feldolgozással javítható vagy rontható. A áztatás és a mikroorganizmusokkal
végzett rettelés fellazítja a rostköteget; a lúgos kezelés eltávolíthat
pektint, viaszt, hemicellulózt és más összetevőket. Ezzel tisztább, jobban
tapadó felület és kedvezőbb rostgeometria jöhet létre, de a túl erős kezelés
megbontja a cellulózt és új hibákat okoz. Ramierostoknál a lúgos kezelés közben
alkalmazott mechanikai terhelés 4–18%-os szilárdságnövekedést eredményezett
(Goda et al. 2006).
A páratartalom sem puszta
laboratóriumi apróság. A növényi sejtfal vizet vesz fel, amely fellazítja egyes
molekuláris kapcsolatait, duzzadást és nagyobb alakváltozást okozhat. Ezért
ugyanannak a rostnak a száraz és nedves állapotban mért merevsége vagy
szilárdsága különbözhet. A faj, termőhely, betakarítási idő, száron belüli
helyzet, rettelés, tárolás és kondicionálás együtt teszi a
természetesrost-adatokat széles tartományokká, nem pedig egyetlen állandóvá
(Lanzilao et al. 2016; Munawar et al. 2007).
A sejtfal belsejébe lépve új
rekordkategória nyílik. Faanyagból elkülönített cellulóz-nanofibrillumok
átlagos szakítószilárdságát 1,6–3 gigapascalra becsülték, attól függően, miként
határozták meg néhány nanométeres szélességüket (Saito et al. 2013). Ezek nem
fonható, szabad szemmel látható növényi rostok, hanem a sejtfalat megerősítő
nanoszkopikus kötegek. Értékük ezért a növényi anyag molekuláris építőelemének,
nem egy háncsrostnak a rekordjához tartozik.
E nanorostokat nem hagyományos
szakítógép két befogója között húzták szét. Ultrahangos kezelés közben törték
rövidebb darabokra őket, majd a töredékhosszakból és törési statisztikából
becsülték a szilárdságot. A tanulmányban az egy zsákállatból származó,
vastagabb cellulóz-nanofibrillumok 3–6 gigapascalos értéket értek el, de a
zsákállat állat, nem növény; ezt az adatot tehát nem lehet növényi rekordként
kihirdetni (Saito et al. 2013).
A növényi rost és a belőle
készült szerkezet ereje között hosszú az út. Kötélben a fonás módja, a szálak
folytonossága, súrlódása és nedvessége számít. Kompozitban a rostok iránya,
hossza és térfogataránya mellett döntő, hogy a polimer mátrix mennyire tapad a
felületükhöz, és maradnak-e légüregek. A hibátlan, tengelyirányban terhelt
elemi rost laboratóriumi rekordja ezért nem másolódik át automatikusan a
deszkába, karosszériaelembe vagy textilbe.
A növényi rostok mégis vonzó
erősítőanyagok. Megújuló forrásból származnak, kis sűrűségük miatt jó fajlagos
tulajdonságokat adhatnak, megmunkálásuk kevésbé koptatja az eszközöket, és
életútjuk végén több lehetőség nyílhat az anyagában vagy energetikailag történő
hasznosításra. Előnyeik mellé azonban nedvességérzékenység, éghetőség, minőségi
ingadozás és a mátrixhoz való tapadás nehézsége társul. A „természetes” jelző
önmagában sem nagy teljesítményt, sem automatikus környezeti fölényt nem
bizonyít.
Ha kategóriánként hirdetünk
eredményt, a közölt háncsrost-szakítószilárdság fő rekordjelöltje a himalájai
óriáscsalán 4,45 gigapascalos átlaggal – a keresztmetszet-számítás és a nagy
szórás világos feltüntetésével. A sokat vizsgált elemi rostok között a
közönséges csalán, a len és a bambusz nagyjából 1,3–2,2 gigapascalos közölt
átlagai jelzik a felső tartományt, bár eltérő módszerekkel születtek (Baley
2002; Bodros & Baley 2008; Chen et al. 2015, 2016; Lanzilao et al. 2016).
Azonos módszerrel mért
rostkötegek között a ramie 849 megapascalos szakítószilárdsága, az anyósnyelv
legnagyobb fajlagos értéke és a kókuszrost kiemelkedő szívóssága három külön
győztest ad. Nanoszkopikus kategóriában a faeredetű cellulóz-nanofibrillum
1,6–3 gigapascalos, közvetetten becsült tartománya figyelemre méltó (Munawar et
al. 2007; Saito et al. 2013). A rangsor tehát nem kudarcba fullad: éppen azt
mutatja meg, hogy az erősség több, egymást kiegészítő tulajdonság.
A legerősebb növényi rostok
rekordja végül mérési lecke is. Mielőtt két gigapascal-adatot összevetünk, meg
kell kérdeznünk: egyetlen sejtről vagy rostkötegről van szó; mekkora volt a
próbahossz; hogyan mérték a szabálytalan keresztmetszetet; beleszámították-e a
lument; milyen nedvességű és hogyan feltárt mintát szakítottak el? A növény nem
egynemű huzalt gyárt, hanem hierarchikus, alkalmazkodó anyagot. Rendkívüli
teljesítménye éppen ebből az összetett felépítésből születik.
Irodalom
Andersons J., Sparniņš E., Joffe R. & Wallström L. (2005):
Strength distribution of elementary flax fibres. Composites Science and
Technology 65: 693–702. https://doi.org/10.1016/j.compscitech.2004.10.001
Aslan M., Chinga-Carrasco G., Sørensen B. F. & Madsen B.
(2011): Strength variability of single flax fibres. Journal of Materials
Science 46: 6344–6354. https://doi.org/10.1007/s10853-011-5581-x
Baley C. (2002): Analysis of the flax fibres tensile behaviour and
analysis of the tensile stiffness increase. Composites Part A: Applied Science
and Manufacturing 33: 939–948. https://doi.org/10.1016/S1359-835X(02)00040-4
Bodros E. & Baley C. (2008): Study of the tensile properties
of stinging nettle fibres (Urtica dioica).
Materials Letters 62: 2143–2145. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2007.11.034
Chen H., Cheng H., Wang G., Yu Z. & Shi S. Q. (2015): Tensile
properties of bamboo in different sizes. Journal of Wood Science 61: 552–561.
https://doi.org/10.1007/s10086-015-1511-x
Chen H., Cheng H., Wang G., Yu Z. & Shi S. Q. (2016): Erratum
to: Tensile properties of bamboo in different sizes. Journal of Wood Science
62: 213. https://doi.org/10.1007/s10086-016-1537-8
Goda K., Sreekala M. S., Gomes A., Kaji T. & Ohgi J. (2006):
Improvement of plant based natural fibers for toughening green
composites—Effect of load application during mercerization of ramie fibers.
Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 37: 2213–2220.
https://doi.org/10.1016/j.compositesa.2005.12.014
Lanzilao G., Goswami P. & Blackburn R. S. (2016): Study of the
morphological characteristics and physical properties of Himalayan giant nettle
(Girardinia diversifolia) fibre in
comparison with European nettle (Urtica
dioica) fibre. Materials Letters 181: 200–203.
https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.06.044
Munawar S. S., Umemura K. & Kawai S. (2007): Characterization
of the morphological, physical, and mechanical properties of seven nonwood plant
fiber bundles. Journal of Wood Science 53: 108–113.
https://doi.org/10.1007/s10086-006-0836-x
Saito T., Kuramae R., Wohlert J., Berglund L. A. & Isogai A.
(2013): An ultrastrong nanofibrillar biomaterial: The strength of single
cellulose nanofibrils revealed via sonication-induced fragmentation.
Biomacromolecules 14: 248–253. https://doi.org/10.1021/bm301674e
Nincsenek megjegyzések:
Megjegyzés küldése