Modifierade naturmaterial kommer att vara en viktig komponent i en hållbar framtid, men först behövs en detaljerad förståelse av deras egenskaper. Hur värme strömmar över bambucellväggar har kartlagts med hjälp av avancerad scanning termisk mikroskopi, ger en ny förståelse för hur variationer i värmeledningsförmåga är kopplade till bambuns eleganta struktur. Resultaten, publiceras i tidskriften Vetenskapliga rapporter , kommer att vägleda utvecklingen av mer energieffektiva och brandsäkra byggnader, gjorda av naturliga material, i framtiden.

Byggsektorn står för närvarande för 30-40 % av alla koldioxidutsläpp, på grund av både den energikrävande produktionen av materialen (främst stål och betong), och den energi som används för att värma och kyla de färdiga byggnaderna. När den globala befolkningen växer och blir alltmer baserad i städer, traditionella byggmetoder blir ohållbara.

Förnybar, växtbaserade material som bambu har en enorm potential för hållbara och energieffektiva byggnader. Deras användning skulle dramatiskt minska utsläppen jämfört med traditionella material, hjälpa till att mildra den mänskliga påverkan på klimatförändringarna. Detta tillvägagångssätt skulle också hjälpa till att hålla kolet borta från atmosfären genom att leda bort timmer från att brännas som bränsle.

Studien involverade skanning av tvärsnitt av kärlvävnad av bambu, vävnaden som transporterar vätska och näringsämnen inom växten. De resulterande bilderna avslöjade en intrikat fiberstruktur med omväxlande lager av tjocka och tunna cellväggar. Toppar av värmeledningsförmåga inom bambustrukturen sammanfaller med de tjockare väggarna, där cellulosakedjor - den grundläggande strukturella komponenten i växtcellväggarna - läggs ner nästan parallellt med växtstammen. Dessa tjockare lager ger också bambu dess styrka och styvhet. I kontrast, de tunnare cellväggarna har lägre värmeledningsförmåga på grund av att cellulosakedjorna står nästan i rät vinkel mot växtstammen.

"Naturen är en fantastisk arkitekt. Bambu är strukturerad på ett riktigt smart sätt, sa Darshil Shah, en forskare vid Cambridge Universitys institution för arkitektur, som ledde studien. "Den växer med en millimeter var nittio sekund, vilket gör det till ett av de snabbast växande växtmaterialen. Genom bilderna vi samlade, vi kan se att den gör detta genom att skapa en naturligt korslaminerad fiberstruktur."

Även om mycket forskning har gjorts på cellstrukturen hos bambu i relation till dess mekaniska egenskaper, nästan ingen har tittat på hur cellstrukturen påverkar materialets termiska egenskaper. Mängden uppvärmning och kyla som krävs i byggnader är i grunden relaterad till egenskaperna hos de material de är gjorda av, särskilt hur mycket värme de leder och lagrar.

En bättre förståelse för de termiska egenskaperna hos bambu ger insikter i hur man kan minska energiförbrukningen i bambubyggnader. Det möjliggör också modellering av hur bambubyggnadskomponenter beter sig när de utsätts för eld, så att åtgärder kan införas för att göra bambubyggnader säkrare.

"Människor kan oroa sig för brandsäkerheten i bambubyggnader, ", sa Shah. "För att ta itu med detta på rätt sätt måste vi förstå byggnadsmaterialets termiska egenskaper. Genom vårt arbete kan vi se att värme färdas längs de strukturstödjande tjocka cellväggfibrerna i bambu, så om den utsätts för värmen från en eld kan bambun mjukna snabbare i riktning mot dessa fibrer. Detta hjälper oss att ta reda på hur vi ska förstärka byggnaden på lämpligt sätt."

För närvarande, produkter som laminerad bambu används oftast som golvmaterial på grund av deras hårdhet och hållbarhet. Dock, deras styvhet och styrka är jämförbar med konstruerade träprodukter, vilket gör dem lämpliga för strukturella användningar också. "Korslaminerat trä är ett populärt val av träkonstruktionsmaterial. Det görs genom att limma ihop lager av sågat trä, var och en i rät vinkel mot lagret nedan, ", sa Shah. "Att se detta som en naturlig struktur i bambufibrer är inspiration för utvecklingen av bättre byggprodukter."

Teamet av forskare, från University of Cambridge och University of Natural Resources and Life Sciences Wien, planerar också att titta på vad som händer med värmeflödet i bambu när dess yta bränns och bildar kol. Användningen av scanning termisk mikroskopi för att visualisera den invecklade sammansättningen av växter kan också vara användbar inom andra forskningsområden, till exempel att förstå hur mikrostrukturella förändringar i grödor kan få dem att falla omkull på fälten vilket resulterar i förlorade skördar.

Shah är medlem av University of Cambridges tvärvetenskapliga Center for Natural Material Innovation, som syftar till att främja användningen av timmer i byggandet genom att modifiera träets vävnadsskaliga egenskaper för att göra det mer tillförlitligt under föränderliga miljöförhållanden.