المركبات المدمجة بالمعادن تعزز الخشب من الداخل

العالم يصبح أكثر وعيًا بالبيئة والاستدامة، مما أدى إلى تطوير واستخدام مواد مركبة حيوية.

تُنظر إلى هذه المواد كبديل لل ألياف الصناعية غير المتجددة التقليدية مثل الزجاج والكربون، وكذلك للمواد مثل الصلب والخرسانة.

سوق المركبات الحيوية نما خلال العقد الماضي، حيث ارتفع من 4.46 مليار دولار في 2016 إلى أكثر من 10 مليارات دولار بحلول 2024. ومن المتوقع أن يصل إلى حوالي 215.62 مليار دولار بحلول 2034 مع تسارع التقدم التكنولوجي وتوسع السوق، وزيادة الطلب على المواد خفيفة الوزن وعالية القوة، وتأييد الحكومات حول العالم لتطوير المركبات الحيوية المتقدمة.المتوقع.

في النهاية، تتمتع المركبات الحيوية بالعديد من المزايا مقارنةً بنظيراتها التقليدية، بما في ذلك حياد ثاني أكسيد الكربون، أمان صحي عالي، مقاومة للتآكل، عزل حراري، خفة الوزن، كثافة منخفضة، واستهلاك طاقة إنتاج أقل.

هذا لا يعني أن مواد المركبات الحيوية خالية من التحديات. فهي تواجه عدة عوائق مثل الاستخراج، المعالجة، التصنيع، انخفاض الاستقرار الحراري، خصائص كهربائية ضعيفة، القابلية للاشتعال، تعديل السطح، وغيرها.

معالجة هذه التحديات وتعزيز الخصائص الميكانيكية للمركبات الحيوية يتطلب دراسة ميكانيكا متعددة المقاييس بسبب بنيةها الهرمية المعقدة.

على عكس المركبات التقليدية، تتأثر خصائص المركبات الحيوية بترتيب المكونات على مستويات متعددة، وليس فقط على المستوى الماكروسكوبي.

على سبيل المثال، تتأثر الخصائص الميكانيكية للخشب بترتيب السليلوز واللجنين ومكونات أخرى على مقاييس مختلفة داخل جدران الخلايا وبين الخلايا.

هنا، تحلل الميكانيكا متعددة المقاييس سلوك المادة على مستويات مختلفة. يشمل ذلك النانوسكيل الذي يتعامل مع التفاعلات بين الجزيئات الفردية والجسيمات النانوية. وعلى الميكروسكيل يتم فحص ترتيب الألياف أو الخلايا أو المكونات الدقيقة الأخرى، بينما يتضمن الميسوسكيل دراسة كيف يؤثر ترتيب هذه المكونات على الخصائص العامة للمادة. وعلى الماكروسكيل يتم تحليل السلوك الكلي للمركب مثل صلابته.

البحث التنفيذي مستمر لدراسة وفهم الميكانيكا متعددة المقاييس للمركبات الحيوية، مما يوفر رؤى فريدة حول علاقات البنية-الخصائص الأساسية.

يساعد ذلك في معالجة التحديات المتعلقة بالقوة والمتانة والموثوقية والإنتاج المستدام. سيوفر ذلك مواد الجيل التالي التي تكون خفيفة الوزن وقوية، وتتمتع بخصائص تسمح لها بالتكيف وإصلاح نفسها.

أساليب متقدمة في تحسين الخشب

عند الحديث عن المركبات الحيوية، تحظى المواد المحتوية على السليلوز مثل الخشب باهتمام كبير بسبب بنية داخلية معقدة بطبيعتها. ولا ننسى أن كمية هائلة (حوالي 181.5 مليار طن) من الخشب تُنتج عالميًا كل عام، مما يجعله أحد أكبر مصادر المواد المتجددة.

مع استخراج الموارد المعدنية مثل الفحم والنفط والغاز الطبيعي بمعدلات مستمرة في الارتفاع، وهو ما يهدد الغلاف الحيوي، تكثفت دراسات بنية الخشب النانوية والماكروية خلال العقد الأخير.

كما أشار الباحثون في جامعة كيوتو مؤخرًا:

“إذا استطعنا ‘رؤية’ ما لا يستطيع العين رؤيته، يمكننا إطالة عمر الهياكل الخشبية وتحسين الاستدامة في صناعة البناء.”

لذلك، أنشأ الفريق طريقة فعالة¹ لتشخيص التدهور شبه غير المرئي للخشب قبل أن يصبح الضرر لا يمكن إصلاحه. ولتحقيق ذلك، دمجوا مطيافية الأشعة تحت الحمراء المتوسطة مع التعلم الآلي لاختبار طلاءات الخشب المتعرضة للطقس صناعياً والطلاءات التي تحتوي على ألياف سليلوزية نانوية لتحسين متانتها.

Here, the partial least squares was used to build a model to predict the extent of deterioration, along with a genetic algorithm to identify the most informative infrared signals.

“فوجئنا باكتشاف أن التغييرات الكيميائية الدقيقة جدًا—الصغيرة جدًا بحيث لا يمكن رؤيتها بصريًا—يمكن التقاطها بواسطة مطيافية الأشعة تحت الحمراء وتوقعها عبر النموذج.”

– المؤلف المشارك يوشيكوني تيراموتو

في الوقت نفسه، اتخذ فريق من الباحثين في جامعة ماريلاند مسار تعديل أشجار الحور جينيًا، بدلاً من استخدام المواد الكيميائية، لإنتاج خشب هيكلي عالي الأداء. باستخدام تحرير القواعد، أزالوا جينًا رئيسيًا يُدعى 4CL1، مما أدى إلى حور يقل محتواه من اللجنين بنسبة 12.8٪ مقارنةً بأشجار الحور البرية.

في دراسة مثيرة أخرى، استخدم علماء المواد من جامعة رايس ومختبر أوك ريدج الوطني نفايات الخشب لإنشاء حبر يمكن استخدامه في الطباعة ثلاثية الأبعاد لأجسام شبيهة بالخشب.

استخدمت هذه الأبحاث موادًا مهملة من أعمال النجارة، تم تقطيعها أولاً إلى غبار ناعم ثم خلطها بمواد كيميائية لفصل اللجنين والسليلوز. تم تفتيت هذين العنصرين إلى ألياف ونبلونات نانوية قبل إعادة دمجهما وإضافتهما إلى الماء لتكوين خليط شبيه بالطين.

اُستخدم الخليط الناتج كحبر في طابعة ثلاثية الأبعاد ثم صُنع منه عدة طاولات وكراسي مصغرة. أزيلت الرطوبة من المنتجات باستخدام طريقة التجفيف بالتجميد، ثم خُبزت عند 180 درجة مئوية لدمج البوليمرينين، مما أسفر عن جسم شبيه بالخشب.

أظهر الاختبار أن الجسم النهائي كان أكثر متانة بست مرات وأكثر مرونة بثلاث مرات مقارنةً بالأجسام المصنوعة من الخشب الأصلي، وحتى أنه كان له رائحة الخشب الطبيعي. من خلال تعديل عملية الطباعة، تمكن الفريق أيضًا من دمج نسيج شبيه بالخشب في منتجاتهم.

انقر هنا لتتعرف على الخشب الشفاف الذي يمكن أن يساعد في استبدال البلاستيك.

تقوية الخشب بالحديد النانوي

إلى جانب جميع هذه الأساليب التقنية المتقدمة، تم استكشاف طريقة واعدة أخرى منخفضة التكلفة وقابلة للتوسع لتقوية الخشب.

في هذه الدراسة الجديدة، تعاون باحثون من كلية الهندسة وعلوم الحاسوب بجامعة فلوريدا أتلانتيك، مع باحثين من جامعة ميامي ومختبر أوك ريدج الوطني، لتعديل خشب البلوط باستخدام فيريهيدريت نانوي.

الفيريهيدريت (Fh) هو معدن أكسيد حديدي مائي شائع على سطح الأرض، وهو السلف للمغذيات الحديدية في التربة. وهو معدن أكسيد حديدي نانوي غير متبلور جيدًا، يُعرف بحجمه الصغير ومساحته السطحية التفاعلية الكبيرة.

كانت الفكرة من وراء ذلك هي معرفة ما إذا كان إدخال معادن صلبة إلى جدران خلايا الخشب على المستوى النانوي سيجعلها أقوى دون جعل المادة مكلفة أو ثقيلة أو غير صديقة للبيئة.

بينما تناولت دراسات سابقة أداء الخشب المعالج على مستويات مختلفة، لا توجد كثيرًا، ولا توجد أي دراسة قامت فعليًا بجعل قطع الخشب بأكملها قوية بإضافة معادن غير عضوية مباشرة إلى جدران خلاياها. وفقًا للمؤلفة المشاركة في الدراسة، فيفيان ميرك، د.ف., أستاذة مساعدة في FAU:

“الخشب، مثل العديد من المواد الطبيعية، يمتلك بنية معقدة ذات طبقات وميزات مختلفة على مقاييس متعددة. لفهم كيفية تحمل الخشب للأحمال وفشله في النهاية، من الضروري دراسته عبر هذه المستويات المختلفة.”

لذلك، بحث الباحثون في ذلك، مع التركيز على الخشب الحلقة-المسامية. هذا النوع من الأخشاب الصلبة يأتي من الأشجار ذات الأوراق العريضة مثل البلوط، الجوز، الكرز، والقيقب، حيث تتميز بأوعية حلقية كبيرة تنقل الماء من الجذور إلى الأوراق.

استخدم الباحثون البلوط الأحمر في دراستهم، وهو شجرة موطنها أمريكا الشمالية وتُستَخدم في إنتاج الورق وأغراض البناء المتنوعة.

باستخدام تفاعل كيميائي بسيط، أدخلوا مركبًا حديديًا إلى الخشب. هنا، خُلط نترات الحديد مع هيدروكسيد البوتاسيوم لتكوين فيريهيدريت.

درست المجموعة الخصائص الميكانيكية للمركب على مستويات تنظيمية مختلفة. وأظهرت النتائج أن طريقة كيميائية منخفضة التكلفة باستخدام أكسيد الحديد النانوي لديها القدرة على تعزيز جدران الخلايا الدقيقة للخشب مع إضافة وزن إضافي قليل فقط.

بينما أدى ترسيب جسيمات الفيريهيدريت داخل جدار الخلية إلى زيادة الصلابة وال hardness للجدار الخلوي الثانوي المفعل، ظل السلوك الكلي للخشب دون تغيير.

لذلك، لم يؤثر تعزيز المتانة للهيكل الداخلي على طريقة انحناء أو انكسار الخشب. قد يكون ذلك نتيجة لضعف الروابط بين خلايا الخشب، مما أثر على طريقة ارتباط المادة على نطاق أوسع.

تشير النتائج إلى إمكانية تعزيز قوة الخشب والمواد النباتية الأخرى باستخدام المعالجة الكيميائية المناسبة، دون زيادة الوزن أو الإضرار بالبيئة. وهذا يبرز إمكانات المواد الحيوية لتكون بدائل للخرسانة والصلب في المستقبل.

انقر هنا لتتعرف على كيفية مساهمة الأخشاب الضخمة في بناء ناطحات سحاب خشبية.

تحليل متعدد المقاييس للمركب الحيوي

نظرًا لأن المواد الخلوية مثل الخشب منظمة بشكل هرمي عالي، حيث تتكون من تجميعات هيكلية تحمل الأحمال وتستجيب للمنبهات الميكانيكية على المستويات الميكروسكوبية، الميسوسكوبية، والماكروسكوبية، قامت المجموعة بفحص مفصل لميكانيكا المركبات الحيوية باستخدام طرق مختلفة. وأشار ميرك إلى:

“لاختبار فرضيتنا – أن إضافة بلورات معدنية دقيقة إلى جدران الخلايا سيقويها – استخدمنا عدة أنواع من الاختبارات الميكانيكية على كل من النانوسكيل والماكروسكيل.”

من الأدوات التي استخدمها الباحثون الميكروسكوب القوة الذرية (AFM)، وهي تقنية قوية تسمح بتصوير أي نوع من الأسطح، بما في ذلك السيراميك، المركبات، البوليمرات، الزجاج، والعينات البيولوجية.

باستخدام AFM، حللت المجموعة الخشب على مقياس صغير جدًا، مما مكنهم من قياس خصائص مثل المرونة والصلابة.

على وجه الخصوص، استُخدم تقنية AM-FM (تعديل السعة – تعديل التردد). هذه الطريقة تهز طرف الـ AFM بترددين مختلفين، أحدهما ينتج صورًا سطحية مفصلة والآخر يقيس مرونة المادة ولزوجتها. وفرت التقنية رؤية دقيقة لكيفية تغير جدران الخلايا عند معالجتها بالمعادن.

كما أجرت المجموعة اختبارات النانوإندنتشن داخل مجهر إلكتروني مسح (SEM)، الذي ينتج صورًا للعينات عن طريق مسح السطح بحزمة مركزة من الإلكترونات تتفاعل مع الذرات لتوليد إشارات تحتوي على معلومات عن التضاريس السطحية وتركيب العينة.

هنا، ضغط الباحثون مجسات صغيرة داخل الخشب لحساب قوة الاستجابة في مناطق مختلفة.

لإكمال الصورة، أجروا اختبارات ميكانيكية قياسية مثل انحناء عينات الخشب المعالجة وغير المعالجة لفحص قوتها وكيفية انكسارها تحت الضغط.

“من خلال النظر إلى الخشب على مستويات مختلفة – من الهياكل الدقيقة داخل جدران الخلايا إلى القطعة الكاملة من الخشب – تمكنا من معرفة المزيد حول كيفية تحسين المواد الطبيعية كيميائيًا للاستخدام في العالم الحقيقي.”

– ميرك

استخدام مزيج من الاختبارات الصغيرة والكبيرة ساعدهم فعليًا على فهم كيف أثرت المعالجة على كل من التفاصيل الدقيقة داخل جدران الخلايا والقوة العامة للخشب.

“يمثل هذا البحث تقدمًا كبيرًا في علم مواد الاستدامة وخطوة ذات معنى نحو البناء والتصميم الصديق للبيئة.”

– ستيلا باتالاما، د.ف., عميدة كلية الهندسة وعلوم الحاسوب

وأشارت أيضًا إلى أن استخدام طرق منخفضة التكلفة وصديقة للبيئة لتعزيز الخشب الطبيعي يضع أسس الجيل القادم من المواد الحيوية التي يمكن أن تحل محل المواد التقليدية في التطبيقات الهيكلية مثل الجسور، المباني، الأرضيات، والأثاث. وأضافت:

“يتجاوز تأثير هذا العمل مجال الهندسة – فهو يساهم في الجهود العالمية لتقليل انبعاثات الكربون، خفض النفايات، واعتماد حلول مستدامة مستوحاة من الطبيعة لكل شيء من المباني إلى البنية التحتية على نطاق واسع.”

شركات مبتكرة

1. Weyerhaeuser Company 

الآن، إذا نظرنا إلى المبتكرين البارزين في هذا المجال، فإن شركة Weyerhaeuser Company (WY ) هي مالك كبير للأراضي الغابية ومصنع منتجات خشبية. تمتلك أو تتحكم في حوالي 10.4 مليون فدان من الأراضي الغابية في الولايات المتحدة وتدير أراضي إضافية في كندا.

تدير الشركة أراضيها الغابية بشكل مستدام بالكامل وقد أبدت اهتمامًا بتطوير مواد حيوية. مع قيمة سوقية تبلغ 18.79 مليار دولار، يتم تداول أسهم Weyerhaeuser حاليًا عند 25.80 دولار، بانخفاض 7.96٪ منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (TTM) قدرها 0.50، نسبة السعر إلى الأرباح (TTM) 51.70، وعائد على حقوق الملكية (TTM) 3.71٪ مع دفع عائد توزيعات بنسبة 3.24٪.

فيما يتعلق بالمالية، سجلت Weyerhaeuser أرباحًا صافية قدرها 396 مليون دولار في 2024 أو 54 سنتًا للسهم المخفف. بلغت صافي المبيعات للعام الكامل 7.1 مليار دولار، بانخفاض 0.6 مليار دولار مقارنةً بـ 2023. تم تحقيق نتائج قوية من أعمال حلول المناخ الطبيعية، التي حققت 55 مليون دولار من دخل التشغيل. ومن الجدير بالذكر أن الشركة لا تزال على المسار لتحقيق 100 مليون دولار من EBITDA المعدل بحلول نهاية عام 2025.

“تعكس أداؤنا في 2024 تنفيذًا قويًا في ظل ظروف سوقية صعبة.”

– الرئيس التنفيذي ديفين و. ستوكفيش

خلال هذه الفترة، تم إرجاع 735 مليون دولار كإجمالي نقدي للمساهمين، بما في ذلك 153 مليون دولار من عمليات إعادة شراء الأسهم. قبل بضعة أشهر، أعلنت Weyerhaeuser أيضًا عن زيادة بنسبة 5٪ في توزيعاتها الأساسية. وقد كان ذلك العام الرابع المتتالي الذي تزيد فيه الشركة توزيعاتها الأساسية ربع السنوية.

فيما يتعلق بالتطورات الأخرى، حصلت Weyerhaeuser على موافقة لمشروع الكربون الغابي الثاني لها، وأعلنت عن استثمار استراتيجي لبناء منشأة منتجات خشبية هندسية جديدة في أركنساس، وعززت محفظة أراضيها الجنوبية من خلال صفقات استراتيجية في ألاباما.

“مع دخولنا عام 2025، ميزانيتنا قوية، ونحن في موقع جيد للاستفادة مع تحسن ظروف السوق. ما زلنا نركز على تحقيق أهدافنا متعددة السنوات، وخدمة عملائنا، ودفع قيمة طويلة الأجل لمساهمينا.”

– ستوكفيش

تُظهر نتائج الربع الأول من 2025 ذلك بوضوح، حيث بلغت الأرباح الصافية 83 مليون دولار، أو 0.11 دولار للسهم المخفف، على صافي مبيعات قدرها 1.8 مليار دولار.

خلال هذه الفترة، سجل قطاع الأراضي الغابية زيادة معتدلة في حجم الحصاد والبيع المحلي في الغرب بينما انخفض حجم الصادرات قليلًا، خاصة إلى الصين. في قطاع العقارات والطاقة والموارد الطبيعية، انخفض عدد الأفدنة المباعة، لكن متوسط السعر لكل فدان كان أعلى بكثير. ارتفعت إيرادات الأخشاب بينما ارتفعت تكاليف الجذوع بشكل معتدل. أما حجم مبيعات منتجات الخشب الهندسية فكان أقل، وزادت تكاليف التصنيع لكل وحدة.

2. 3M Company

اسم بارز آخر في المجال هو شركة 3M، التي تشارك في البحث والتطوير للمواد المتقدمة، بما في ذلك النانومركبات والأنظمة الحيوية.

تتمتع هذه الشركة التقنية المتنوعة بقيمة سوقية تبلغ 74.75 مليار دولار، وتُتداول أسهمها عند 138.91 دولار، بارتفاع 7.61٪ منذ بداية العام. لديها ربحية السهم (TTM) قدرها 8.02، نسبة السعر إلى الأرباح (TTM) 17.31، وعائد على حقوق الملكية (TTM) 94.75٪ مع عائد توزيعات بنسبة 2.10٪.

قفزت أسهم 3M بعد أن حافظت على إرشاداتها المالية للعام الكامل رغم التعريفات وحرب التجارة التي قدمت مخاطر جديدة. تستفيد الشركة فعليًا من الاحتفاظ بمخزون يكفي لمدة 90 يومًا. ومع ذلك، أقرت بالمخاطر ووضحت استراتيجيات لإدارة بيئة الأعمال المتقلبة، بما في ذلك تحسين شبكتها، نقل الإنتاج إلى دول مختلفة، وربما فرض رسوم إضافية على بعض العملاء.

في هذا الشهر فقط، قال الرئيس التنفيذي بيل براون إن لديهم “وجودًا أمريكيًا كبيرًا جدًا” وهم “ينظرون بعناية شديدة” إلى جلب المزيد من التصنيع إلى هنا.

امتلاك محفظة من آلاف المنتجات الاستهلاكية والصناعية هو ما يعرض 3M لشريحة واسعة من الاقتصاد. نتيجة لذلك، انخفضت مبيعاتها بنسبة 1٪ في الربع الأول من 2025 إلى 6 مليارات دولار بينما ارتفعت أرباح السهم المعدلة من العمليات المستمرة إلى 1.88 دولار، متفوقة على التوقعات.

يأتي ذلك بعد تحقيق نمو مزدوج الرقم في الأرباح في 2024، حيث تم إرجاع 3.8 مليار دولار للمساهمين. للعام الكامل، ارتفعت ربحية السهم المعدلة بنسبة 21٪ على أساس سنوي إلى 7.30 دولار، وانخفضت المبيعات بنسبة 0.1٪ إلى 24.6 مليار دولار، وجاء النقد من العمليات بمقدار 1.8 مليار دولار.

الخلاصة

الموارد الطبيعية الحيوية، الخشب، يُقدَّر لقوته، متانته، استدامته، وتكلفته المعقولة. كما يلعب دورًا رئيسيًا في المركبات الحيوية، حيث يُعد مادة متجددة ومستدامة يمكن أن تحل محل المركبات التقليدية في تطبيقات متعددة.

هنا، يُعد الكتلة النباتية المعقدة، اللجنوسيلولوز، مهمًا لأنه يشكل البنية الصلبة لجدران خلايا النبات ويسمح بدمج الخشب في المواد المركبة. يمكن تعديل هذا المكون الخشبي كيميائيًا لإنشاء مواد متقدمة.

استخدمت الأبحاث الأخيرة هذا المكون لتعزيز خصائص الخشب، مسلطةً الضوء على دور الهيكلة الهرمية في الأداء الميكانيكي للخشب. تُظهر كيف يمكن لتعزيز الجسيمات النانوية على مستوى جدار الخلية تحسين الصلابة، كما تم تأكيد ذلك من خلال اختبار النانوإندنتشن والمجهر القوة الذرية، دون التأثير على خصائصه الميكانيكية. يبرز هذا التعزيز الطبيعي للخشب إمكانات المواد الحيوية المتقدمة، التي يمكن أن تقود إلى بنية تحتية مستدامة ومستقبل أفضل.

الدراسات المشار إليها:

1. Soini, S. A., Lalani, I., Maron, M. L., Gonzalez, D., Mahfuz, H., Domingo-Marimon, N., & Merk, V. (2025). Multiscale mechanical characterization of mineral-reinforced wood cell walls. ACS Applied Materials & Interfaces, 2025. https://doi.org/10.1021/acsami.4c22384