Gemodificeerde natuurlijke materialen zullen een essentieel onderdeel zijn van een duurzame toekomst, maar eerst is een gedetailleerd begrip van hun eigenschappen nodig. De manier waarop warmte door bamboecelwanden stroomt, is in kaart gebracht met behulp van geavanceerde thermische scanningmicroscopie, een nieuw begrip van hoe variaties in thermische geleidbaarheid zijn gekoppeld aan de elegante structuur van de bamboe. De bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschappelijke rapporten , zal richting geven aan de ontwikkeling van meer energie-efficiënte en brandveilige gebouwen, gemaakt van natuurlijke materialen, in de toekomst.

De bouwsector is momenteel verantwoordelijk voor 30-40% van alle CO2-uitstoot, door zowel de energie-intensieve productie van de materialen (voornamelijk staal en beton), en de energie die wordt gebruikt voor het verwarmen en koelen van de voltooide gebouwen. Naarmate de wereldbevolking groeit en zich steeds meer in steden en dorpen vestigt, traditionele bouwmethoden worden onhoudbaar.

Hernieuwbaar, plantaardige materialen zoals bamboe hebben een enorm potentieel voor duurzame en energiezuinige gebouwen. Het gebruik ervan zou de uitstoot drastisch verminderen in vergelijking met traditionele materialen, helpen de menselijke impact op de klimaatverandering te verminderen. Deze aanpak zou ook helpen om koolstof uit de atmosfeer te houden door hout weg te leiden van verbranding als brandstof.

De studie omvatte het scannen van dwarsdoorsneden van bamboe vaatweefsel, het weefsel dat vocht en voedingsstoffen in de plant transporteert. De resulterende afbeeldingen onthulden een ingewikkelde vezelstructuur met afwisselende lagen dikke en dunne celwanden. Pieken van thermische geleidbaarheid binnen de bamboestructuur vallen samen met de dikkere wanden, waar ketens van cellulose - de structurele basiscomponent van plantencelwanden - bijna evenwijdig aan de plantenstam worden gelegd. Deze dikkere lagen geven bamboe ook zijn sterkte en stijfheid. In tegenstelling tot, de dunnere celwanden hebben een lagere thermische geleidbaarheid doordat celluloseketens bijna haaks op de plantstam staan.

"De natuur is een geweldige architect. Bamboe is op een heel slimme manier gestructureerd, " zei Darshil Shah, een onderzoeker aan de afdeling Architectuur van de Universiteit van Cambridge, die de studie leidde. "Het groeit elke negentig seconden met één millimeter, waardoor het een van de snelst groeiende plantmaterialen is. Door de beelden die we verzamelden, we kunnen zien dat het dit doet door een natuurlijk kruisgelamineerde vezelstructuur te genereren."

Hoewel er veel onderzoek is gedaan naar de celstructuur van bamboe in relatie tot zijn mechanische eigenschappen, bijna niemand heeft gekeken hoe de celstructuur de thermische eigenschappen van het materiaal beïnvloedt. De hoeveelheid verwarming en koeling die in gebouwen nodig is, is fundamenteel gerelateerd aan de eigenschappen van de materialen waaruit ze zijn gemaakt, vooral hoeveel warmte ze geleiden en opslaan.

Een beter begrip van de thermische eigenschappen van bamboe geeft inzicht in hoe het energieverbruik van bamboegebouwen kan worden verminderd. Het maakt ook modellering mogelijk van de manier waarop bamboe-bouwcomponenten zich gedragen bij blootstelling aan vuur, zodat maatregelen kunnen worden genomen om bamboe gebouwen veiliger te maken.

"Mensen maken zich misschien zorgen over de brandveiligheid van bamboegebouwen, " zei Shah. "Om dit goed aan te pakken, moeten we de thermische eigenschappen van het bouwmateriaal begrijpen. Door ons werk kunnen we zien dat warmte zich voortplant langs de structuurondersteunende dikke celwandvezels in bamboe, dus als het wordt blootgesteld aan de hitte van een vuur, kan de bamboe sneller zacht worden in de richting van die vezels. Zo kunnen we bepalen hoe we het gebouw op de juiste manier kunnen versterken."

Momenteel, producten zoals gelamineerd bamboe worden het meest gebruikt als vloermateriaal vanwege hun hardheid en duurzaamheid. Echter, hun stijfheid en sterkte is vergelijkbaar met bewerkte houtproducten, waardoor ze ook geschikt zijn voor structurele toepassingen. "Kruisgelamineerd hout is een populaire keuze voor houtconstructiemateriaal. Het wordt gemaakt door lagen gezaagd hout aan elkaar te lijmen, elk loodrecht op de onderliggende laag, "zei Shah. "Dit zien als een natuurlijke structuur in bamboevezels is inspiratie voor de ontwikkeling van betere bouwproducten."

Het team van onderzoekers, van de Universiteit van Cambridge en de Universiteit van Natuurlijke Hulpbronnen en Life Sciences Wenen, is ook van plan om te kijken wat er gebeurt met de warmtestroom in bamboe wanneer het oppervlak wordt verbrand en verkoling vormt. Het gebruik van thermische scanning microscopie om de ingewikkelde samenstelling van planten te visualiseren kan ook nuttig zijn in andere onderzoeksgebieden, zoals inzicht in hoe microstructurele veranderingen in gewasstengels ervoor kunnen zorgen dat ze omvallen in de velden, wat resulteert in verloren oogsten.

Shah is lid van het interdisciplinaire Centre for Natural Material Innovation van de Universiteit van Cambridge, die tot doel heeft het gebruik van hout in de bouw te bevorderen door de eigenschappen van hout op weefselschaal te wijzigen om het betrouwbaarder te maken onder veranderende omgevingsomstandigheden.