Il superlegno più forte dell’acciaio / The superwood stronger than steel

Segnalato dal Dott.Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Un processo semplice ed economico è in grado di rendere qualsiasi tipo di legno più resistente dell’acciaio, tanto da fermare anche un proiettile. Realizzato per competere con gli altri materiali da costruzione, sia per l'edilizia che per le automobili, il "superlegno" resiste anche all'umidità ed è perfino possibile farlo diventare trasparente.

Alcune varietà di legno, come la quercia e l'acero, sono rinomate per la loro forza. Ma secondo gli scienziati un nuovo processo, semplice e poco costoso, può trasformare qualsiasi tipo di legno in un materiale più resistente dell'acciaio, e addirittura di alcune leghe high-tech al titanio. Oltre a rappresentare una svolta per edifici e veicoli, il materiale in questione potrebbe anche essere usato per costruire blindature a prova di proiettile.

Il legno è abbondante e relativamente economico: cresce letteralmente sugli alberi. E sebbene sia stato usato per millenni per costruire di tutto, dai mobili alle case a strutture ancora più grandi, raramente il legno non trattato può competere con i metalli usati in edilizia. Da tempo i ricercatori hanno cercato di aumentare la sua forza, soprattutto comprimendolo e "densificandolo", dice Liangbing Hu, esperto in scienza dei materiali all'Università del Maryland a College Park. Ma il legno densificato tende a indebolirsi e a tornare a dimensioni e forma originali, specialmente in condizioni di umidità.

Ora, Hu ed i suoi colleghi hanno afffermato di aver trovato un modo migliore di densificare il legno e lo hanno descritto su "Nature". Il loro semplice processo in due fasi inizia con la bollitura del legno in una soluzione di idrossido di sodio (NaOH) e solfito di sodio (Na2SO3), un trattamento chimico simile a quello usato per ottenere la pasta di legno con cui produrre la carta. 

Questo passaggio rimuove in parte la lignina e l'emicellulosa (polimeri naturali che aiutano a irrigidire le pareti cellulari di una pianta), ma lascia intatta la cellulosa del legno (un altro polimero naturale), dice Hu.

La seconda fase è semplice quasi quanto la prima: comprimere il legno trattato fino al collasso delle pareti cellulari, e poi mantenere la compressione mentre il legno è scaldato delicatamente. Pressione e calore favoriscono la formazione di legami chimici tra un gran numero di atomi di idrogeno e di atomi nelle nanofibre di cellulosa adiacenti, rafforzando notevolmente il materiale.

I risultati sono impressionanti. Il legno compresso ottenuto è tre volte più denso di quello non trattato, dice Hu, aggiungendo che la resistenza alla rottura aumenta di oltre dieci volte. Può anche diventare circa 50 volte più resistente alla compressione e quasi 20 volte più rigido. Il legno addensato è anche più duro, più resistente a graffi e a urti. Può essere modellato in quasi tutte le forme. Un'altra caratteristica, forse ancora più importante, è che il legno addensato è resistente anche all'umidità: in test di laboratorio, campioni compressi esposti a un'umidità estrema per più di cinque giorni si sono gonfiati meno del 10 per cento e in test successivi, dice Hu, una semplice mano di vernice ha evitato il rigonfiamento.

Un compensato a cinque strati di legno densificato ha fermato proiettili simulati, e secondo Hu e colleghi questo risultato suggerisce la possibilità di creare corazze a basso costo. Il materiale non è altrettanto protettivo di un foglio in Kevlar dello stesso spessore, ma costa appena il cinque per cento del Kevlar, sottolinea il ricercatore.

I risultati del gruppo "sembrano aprire le porte a una nuova classe di materiali leggeri", dice Ping Liu, chimico dei materiali all'Università della California di San Diego, che non ha collaborato allo studio. Spesso i costruttori di veicoli hanno cercato di risparmiare sul peso passando dall'acciaio normale all'acciaio ad alta resistenza, alle leghe di alluminio o ai compositi in fibra di carbonio, ma questi materiali sono costosi, e i clienti "raramente recuperano quei soldi con il risparmio di carburante", dice Liu. Inoltre il legno addensato ha un'altra qualità rispetto ai compositi in fibra di carbonio: non richiede adesivi costosi che possono rendere difficile, se non impossibile, riciclarne i componenti.

Il legno addensato offre nuove possibilità per usi e progetti in cui il legno naturale è troppo fragile, afferma Peter Fratzl, scienziato dei materiali al Max-Planck-Institut per i colloidi e le interfacce a Potsdam, in Germania, che non ha partecipato allo studio. Invece di creare un progetto sulla base del materiale disponibile, i ricercatori possono creare un materiale adatto al progetto che vogliono", dice, alludendo a un processo familiare tra gli ingegneri aerospaziali che hanno una lunga storia di sviluppo di leghe sempre più forti per soddisfare le loro esigenze.

Un ostacolo all'uso diffuso del legno densificato potrebbe essere la capacità degli ingegneri di scalare e accelerare il processo, nota Liu. Hu e il suo gruppo hanno trascorso molte ore a preparare ogni lastra di legno addensato delle dimensioni di un libro usata nei test. Ma non ci sono ragioni pratiche per cui il processo non possa essere accelerato o impiegato per realizzare componenti più grandi, sostiene Hu.

Se Hu e il suo gruppo hanno cercato di migliorare la forza del legno, altri ricercatori hanno inseguito obiettivi più insoliti, come renderlo trasparente. Lars Berglund, in forza al KTH Royal Institute of Technology di Stoccolma, e colleghi hanno trovato un modo per creare vetrine di legno. Come in quello di Hu, il primo passo in questo processo è rimuovere la lignina, una sostanza che non solo irrigidisce il legno, ma gli conferisce anche il suo colore brunastro. I ricercatori mettono poi il legno privo di lignina in infusione con un polimero chiamato metilmetacrilato (MMA), un materiale meglio conosciuto con nomi commerciali come Plexiglas e Lucite.

Poiché l'indice di rifrazione (una misura di quanto viene piegata la luce) dell'MMA corrisponde a quello del legno privo di lignina, i raggi di luce attraversano il materiale composito con MMA invece di rimbalzare all'interno delle cellule vuote. Questo rende il materiale molto trasparente. Berglund e il suo gruppo hanno descritto il loro risultato due anni fa su "Biomacromolecules". Per coincidenza, nello stesso periodo anche Hu e colleghi stavano sviluppando un metodo per rendere trasparente il legno.
Ricerche come quella di Hu e Berglund non possono che aggiungere prospettive straordinarie al futuro della scienza dei materiali. Un giorno non troppo lontano potremo vivere in una casa fatta quasi completamente con uno dei materiali da costruzione più abbondanti e versatili della Terra, dai pavimenti alle travi, dalle pareti alle finestre. E nel garage potrebbe esserci un'auto con il telaio e il paraurti in legno addensato invece che in che acciaio e plastica.

ENGLISH

A simple and inexpensive process is able to make any type of wood more resistant than steel, so as to stop even a bullet. Made to compete with other building materials, both for construction and for automobiles, the "superlegno" also withstands moisture and it is even possible to make it transparent.

Some varieties of wood, such as oak and maple, are renowned for their strength. But according to scientists, a new process, simple and inexpensive, can transform any type of wood into a more resistant material than steel, and even some titanium high-tech alloys. In addition to being a turning point for buildings and vehicles, the material in question could also be used to build bullet-proof armor.

Wood is abundant and relatively inexpensive: it literally grows on trees. And although it has been used for millennia to build everything from furniture to homes to even larger structures, rarely untreated wood can compete with the metals used in construction. Researchers have long sought to increase its strength, especially by compressing it and "densifying it," says Liangbing Hu, an expert in materials science at the University of Maryland at College Park. But densified wood tends to weaken and return to original size and shape, especially in damp conditions.

Now, Hu and his colleagues affirmed that they had found a better way to densify wood and described it in "Nature". Their simple two-step process begins with boiling the wood in a solution of sodium hydroxide (NaOH) and sodium sulfite (Na2SO3), a chemical treatment similar to that used to obtain the wood pulp with which to produce the paper. This step partially removes lignin and hemicellulose (natural polymers that help to stiffen the cell walls of a plant), but leaves the wood cellulose (another natural polymer) intact, says Hu.

The second phase is almost as simple as the first: compress the treated wood until the cell walls collapse, and then keep the compression while the wood is gently heated. Pressure and heat favor the formation of chemical bonds between a large number of hydrogen atoms and atoms in adjacent cellulose nanofibers, strongly strengthening the material.

The results are impressive. The compressed wood obtained is three times denser than the untreated wood, says Hu, adding that the breaking strength increases by more than tenfold. It can also become about 50 times more resistant to compression and almost 20 times more rigid. Thickened wood is also harder, more resistant to scratches and impacts. It can be modeled in almost all shapes. Another feature, perhaps even more important, is that thickened wood is also resistant to moisture: in laboratory tests, compressed specimens exposed to extreme humidity for more than five days, less than 10 percent were inflated and subsequent tests, says Hu, a simple coat of paint has avoided the swelling.

A five-layer plywood of densified wood has stopped simulated bullets, and according to Hu and colleagues this result suggests the possibility of creating low-cost armor. The material is not as protective as a Kevlar sheet of the same thickness, but costs just five percent of Kevlar, the researcher points out.

The results of the group "seem to open the door to a new class of light materials," says Ping Liu, a chemist of materials at the University of California in San Diego, who has not collaborated on the study. Vehicle manufacturers have often tried to save on weight from normal steel to high-strength steel, aluminum alloys or carbon fiber composites, but these materials are expensive, and customers "rarely recover that money with the fuel economy, "says Liu. In addition, thickened wood has another quality compared to carbon fiber composites: it does not require expensive adhesives that can make it difficult, if not impossible, to recycle its components.

Thickened wood offers new possibilities for uses and projects where natural wood is too fragile, says Peter Fratzl, material scientist at the Max-Planck-Institut for colloids and interfaces in Potsdam, Germany, who did not participate in the study . Instead of creating a project based on the material available, researchers can create a suitable material for the project they want, "he says, alluding to a family process among aerospace engineers who have a long history of developing stronger and stronger alloys to meet the their needs.

An obstacle to the widespread use of densified wood could be the ability of engineers to scale and accelerate the process, notes Liu. Hu and his team spent many hours preparing each thickened wooden slab the size of a test book. But there are no practical reasons why the process can not be accelerated or used to make larger components, says Hu.

If Hu and his team tried to improve the strength of wood, other researchers pursued more unusual goals, such as making it transparent. Lars Berglund, at the KTH Royal Institute of Technology in Stockholm, and colleagues have found a way to create wooden showcases. As in Hu's, the first step in this process is to remove lignin, a substance that not only stiffens the wood, but also gives it its brownish color. The researchers then put lignin-free wood in infusion with a polymer called methyl methacrylate (MMA), a material better known by commercial names such as Plexiglas and Lucite.

Because the index of refraction (a measure of how much light is bent) of the MMA corresponds to that of lignin-free wood, the light rays pass through the composite material with MMA instead of bouncing into the empty cells. This makes the material very transparent. Berglund and his team described their result two years ago on "Biomacromolecules". Coincidentally, in the same period, Hu and colleagues were also developing a method to make wood transparent.

Research such as that of Hu and Berglund can only add extraordinary perspectives to the future of materials science. One day not too far away we can live in a house made almost completely with one of the most abundant and versatile building materials on Earth, from floors to beams, from walls to windows. And in the garage there might be a car with a frame and a thickened wooden bumper instead of steel and plastic.

Da:

http://www.lescienze.it/news/2018/02/12/news/legno_trattamento_super-legno_forte_acciaio-3858629/?ref=nl-Le-Scienze_16-02-2018