Nel mondo, ogni anno, si impiegano oltre 181,5 miliardi di tonnellate di legno. Un materiale nobile e sostenibile, ma si potrebbe fare di più, usando meno alberi. Un gruppo di ricerca del College of Engineering and Computer Science della Florida Atlantic University, ha realizzato un legno rinforzato, integrando alla quercia rossa, la ferriidrite nanocristallina, tramite un processo semplice e a basso costo. Il rafforzamento, infatti, è avvenuto a livello cellulare nel legno, senza aggiungere peso o alterare la flessibilità, offrendo un’alternativa durevole ed ecologica, che potrebbe rimpiazzare in alcuni utilizzi persino acciaio e cemento.
Più forte e resistente: come l’acciaio
Un componente chiave, la lignocellulosa – presente nel legno e in molte piante – può essere facilmente raccolta e modificata in modo chimico per migliorarne le proprietà. I ricercatori erano intenzionati a scoprire se aggiungendo minerali estremamente duri su scala nanometrica si potessero rendere più resistenti le pareti delle cellule del legno, senza appesantirlo, renderlo costoso o dannoso per l’ambiente. Fino ad oggi, solo pochi studi hanno analizzato le prestazioni del legno trattato a diverse scale e nessuno è riuscito a rafforzare interi pezzi di legno incorporando minerali inorganici direttamente nelle pareti cellulari.
Minerale comune in natura
Il team di ricerca si è concentrato su un tipo speciale di legno duro, che proviene da quercia, acero, ciliegio e noce. Questi alberi presentano nel legno grandi vasi a forma di anello che trasportano l’acqua dalle radici alle foglie. Per lo studio, i ricercatori hanno utilizzato la quercia rossa, un legno duro comune in Nord America e hanno introdotto un composto di ferro nel legno attraverso una semplice reazione chimica. Mescolando il nitrato ferrico con l’idrossido di potassio, hanno creato la ferriidrite, un minerale di ossido di ferro che si trova comunemente nel suolo e nell’acqua.
Legno non cambia peso e flessibilità
Con questa aggiunta, la struttura interna del legno rinforzato è diventata ancora più resistente, ma il modo in cui si piega o si rompe, è rimasto sostanzialmente invariato. I risultati raggiunti fanno ipotizzare che, con il giusto trattamento chimico, sia possibile migliorare la resistenza del legno e di altri materiali di origine vegetale senza aumentarne il peso o danneggiare l’ambiente. Questi materiali a base biologica potrebbero un giorno sostituire i materiali da costruzione tradizionali come l’acciaio e il cemento in applicazioni come edifici alti, ponti, mobili e pavimenti.
Legno rinforzato: metodo innovativo
Per verificare la bontà dell’ipotesi, i ricercatori hanno utilizzato strumenti avanzati come la microscopia a forza atomica (AFM) per esaminare il legno su scala molto piccola, consentendo loro di misurare proprietà come la rigidità e l’elasticità. In particolare, hanno impiegato una tecnica chiamata AM-FM, che fa vibrare la punta dell’AFM a due frequenze diverse. Una frequenza genera immagini dettagliate della superficie, mentre l’altra misura l’elasticità e l’adesività del materiale. Questo metodo ha permesso di vedere con precisione come le pareti cellulari del legno sono state alterate dopo il trattamento con i minerali. Per completare l’analisi, sono stati eseguiti test meccanici standard, come la piegatura di campioni di legno non trattati e trattati, per valutarne la resistenza complessiva e il modo in cui si rompevano sotto sforzo.
Rinforzando il legno naturale con metodi ecologici ed economici, i nostri ricercatori stanno gettando le basi per una nuova generazione di materiali a base biologica che hanno il potenziale per sostituire materiali tradizionali come l’acciaio e il cemento nelle applicazioni strutturali”, ha considerato Stella Batalama, preside della Facoltà dell’università in cui è stato fatto lo studio, che aggiunge: “L’impatto di questo lavoro va ben oltre il campo dell’ingegneria: contribuisce agli sforzi globali per ridurre le emissioni di carbonio, diminuire gli sprechi e adottare soluzioni sostenibili e ispirate alla natura per qualsiasi cosa, dagli edifici alle infrastrutture su larga scala”.