可视化竹子中的热流可以帮助设计更节能和防火的建筑

改性天然材料将是可持续未来的重要组成部分，但首先需要对它们的特性有详细的了解。热量在竹子细胞壁上的流动方式已使用高级扫描热显微镜进行了测绘，从而使人们对导热系数的变化如何与竹子的优雅结构联系起来有了新的认识。这项发现发表在《科学报告》杂志上，将指导未来由天然材料制成的节能和防火建筑的发展。

的建筑行业目前占所有的30-40%的碳排放量，由于两者的能量密集的生产材料(主要是钢和混凝土)的，并且在加热和冷却成品建筑物中使用的能量。随着全球人口的增长并越来越多地以城镇为基地，传统的建筑方法变得不可持续。

可再生的植物性材料，例如竹子，对于可持续和节能建筑具有巨大的潜力。与传统材料相比，它们的使用将大大减少排放，有助于减轻人类对气候变化的影响。这种方法还可以通过转移木材以免于燃烧作为燃料，从而将碳保持在大气之外。

该研究涉及扫描竹子维管组织的横截面，该组织在植物体内运输液体和营养。产生的图像显示出错综复杂的纤维结构，厚而薄的细胞壁交替出现。竹子结构内的导热系数峰值与较厚的壁重合，纤维素链是植物细胞壁的基本结构成分，几乎与植物茎平行放置。这些较厚的层也使竹子具有强度和刚度。相反，由于纤维素链与植物茎几乎成直角，因此较薄的细胞壁具有较低的热导率。

负责这项研究的剑桥大学建筑系研究员达什希尔·沙(Darshil Shah)说：“自然是一位了不起的建筑师。竹子的构造非常巧妙。” “它每九十秒增长一毫米，使其成为增长最快的植物材料之一。通过我们收集的图像，我们可以看到它是通过生成自然的交叉层压纤维结构来实现的。”

马德里机场竹林。信用：未飞溅

尽管已经对竹的孔结构与机械性能进行了大量研究，但几乎没有人关注孔结构如何影响材料的热性能。建筑物中所需的加热和冷却量从根本上与它们制成的材料的特性有关，特别是它们传导和存储的热量多少。

对竹子的热特性的更好理解为如何减少竹子建筑的能耗提供了见识。它还可以对竹建筑构件在火中的行为方式进行建模，以便可以采取措施使竹建筑更安全。

沙阿说：“人们可能担心竹建筑的消防安全。” “要正确解决这个问题，我们必须了解建筑材料的热特性。通过我们的工作，我们可以看到热量沿着竹子中支撑结构的厚细胞壁纤维传播，因此，如果暴露于火中，竹子可能会朝着这些纤维的方向更快地软化。这有助于我们确定如何适当加固建筑物。”

目前，层压竹等产品由于其硬度和耐久性而最常用作地板材料。但是，它们的刚度和强度可与工程木制品相媲美，因此也适用于结构用途。沙阿说：“交叉层压木材是木材建筑材料的一种流行选择。它是通过将几层锯材粘合在一起而制成的，每一层都与下面的层成直角。” “将其视为竹纤维的天然结构，是开发更好的建筑产品的灵感。”

来自剑桥大学和维也纳自然资源与生命科学大学的研究人员小组还计划研究竹子表面燃烧并形成炭时竹子中的热流会发生什么。使用扫描热显微镜对植物的复杂构成进行可视化也可能在其他研究领域中有用，例如了解作物茎的微观结构变化如何导致其掉落在田间，从而导致收成下降。

莎(Shah)是剑桥大学自然材料创新跨学科中心的成员，该中心旨在通过改变木材的组织尺度特性，使其在不断变化的环境条件下更可靠，来促进木材在建筑中的使用。