Био-пена на основе целлюлозы с градиентной структурой, полученная с помощью раствор-индуцированной молекулярной сборки для устойчивых теплоизоляционных модулей

Новый вид пены для более чистого будущего

Пена встречается повсюду в нашей жизни — от теплоизоляции в стенах до упаковки, защищающей посылки. Большая часть такой пены сделана из нефтехимических пластиков, которые остаются в окружающей среде столетиями и выделяют вредные микропластики. В этой статье описан новый тип пены, полностью состоящий из целлюлозы — того же природного материала, из которого состоят клеточные стенки растений. Исследователи показывают, как превратить растительную целлюлозу в прочную, лёгкую и перерабатываемую пену, способную изолировать здания и при этом резко снижать загрязнение и выбросы углерода.

Почему важно переосмыслить пластиковую пену

Традиционные пластиковые пены, такие как полистирол и полиуретан, популярны, потому что они лёгкие, легко формуются и хорошо блокируют тепло и шум. Но они в основном производятся из невозобновляемых ископаемых ресурсов и выделяют значительные объёмы парниковых газов при изготовлении. Когда такую пену выбрасывают, она не разлагается; вместо этого она медленно распадается на крошечные пластиковые фрагменты, загрязняющие океаны, почву и живые организмы. По мере ужесточения мер по сокращению пластиковых отходов инженерам срочно нужны заменители, которые по свойствам не уступали бы пластиковым плам, но не имели бы их экологической цены.

Строим пену из растений, а не из нефти

Команда разработала «всюцеллюлозную» пену, которую назвали All-Cel foam. Они начинают с растворения целлюлозы из биомассы в специальной жидкости, затем используют этанол — по сути спирт — чтобы мягко инициировать реассамблею молекул целлюлозы в твёрдую пену. Этот процесс происходит при комнатной температуре и не требует токсичных вспенивателей или энергоёмкой сублимационной сушки. По мере проникновения этанола в раствор цепи целлюлозы запутываются и фиксируются, формируя трёхмерную сеть. Поскольку эта сборка проходит с разной скоростью у поверхности и в глубине, пена естественным образом приобретает хитрую «градиентную» структуру: внешние слои более плотные с мелкими порами, а внутренняя часть более открытая, с большими сотоподобными ячейками.

Лёгкая, прочная и термоустойчивая

Такая градиентная конструкция придаёт All-Cel foam необычное сочетание свойств. Она очень лёгкая — около одной десятой плотности твёрдых пластиков — и при этом может выдерживать примерно в 400 раз больший вес по отношению к собственной массе, обладая при этом модулем сжатия выше, чем у обычных пластиковых пен сегодняшнего дня. В изгибных и ударных испытаниях она сопротивляется растрескиванию и способна поглощать удары, разрушающие стандартные пены. Материал также хорошо переносит высокие температуры: он сохраняет жёсткость примерно до 200 °C и остаётся стабильным примерно до 264 °C — при температурах, в которых многие пластиковые пены размягчаются, деформируются или выходят из строя. При использовании в качестве изоляционного слоя между горячим источником света и металлическим корпусом пена существенно замедляет теплопередачу, удерживая корпус лишь немного теплее комнатной температуры, даже когда сама поверхность пены становится очень горячей. Компьютерные симуляции зданий показывают, что использование All-Cel foam в стенах может обеспечить энергосбережение, сопоставимое с широко используемой пластиковой изоляцией.

Безопаснее при пожаре и бережнее к планете

Пена в зданиях должна быть безопасной при пожаре. Пропитыванием All-Cel foam раствором фитиновой кислоты, растительного антипирена, авторы получили вариант, который горит значительно хуже по сравнению с обычными пластиковыми пенами. В контролируемых испытаниях на возгорание эта обработанная пена выделяла гораздо меньше тепла и дыма, а пламя вскоре гасло после удаления источника возгорания — благодаря защитному слою угля, образующемуся на поверхности. Не менее важно, что пену легко формовать и перерабатывать. Её можно лить прямо в формы, размягчать в воде и перекраивать, а также перерабатывать, растворяя использованные блоки обратно в растворе для получения новых. В почве All-Cel foam постепенно разлагается и исчезает за несколько месяцев, в отличие от обычных пен, которые остаются почти неизменными. Оценка жизненного цикла показывает, что производство этой целлюлозной пены может сократить выбросы углерода более чем наполовину по сравнению с некоторыми распространёнными пластиковыми пенами, одновременно уменьшая и другие экологические воздействия.

К более экологичным зданиям и продуктам

Для неспециалистов ключевое сообщение простое: это исследование демонстрирует, что растительные материалы теперь могут соревноваться с нефтяными пенами и даже превосходить их по прочности, безопасности и теплоизоляционным свойствам. All-Cel foam сочетает лёгкость и практичность привычных упаковочных и строительных пен с преимуществами возобновляемости, перерабатываемости и биоразлагаемости. При успешном масштабировании она может помочь сделать дома, транспорт и изделия более энергоэффективными и одновременно уменьшить нагрузку пластиковых отходов на планету.

Цитирование: Zeng, S., Tong, Z., Li, X. et al. A gradient-structured all-cellulose biofoam enabled by solvent-induced molecular assembly for sustainable insulation modules. Nat Commun 17, 1913 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-68803-8

Ключевые слова: целлюлозная пена, экологичная теплоизоляция, биоразлагаемые материалы, альтернативы пластиковой пене, устойчивое строительство