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Studio Usa: creato dal legno materiale più resistente…

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Studio Usa: creato dal legno materiale più resistente dell’acciaio

(Marka)
(Marka)

La favola dei tre porcellini che costruscono una casa con materiali diversi, solo una delle quali sopravvive all’attacco del lupo, potrebbe essere presto smentita dalle ultime ricerche scientifiche su un materiale spesso ritenuto “povero”: il legno.
Un gruppo di ricercatori dell’università del Maryland, di College Park (Usa), ha infatti recentemente pubblicato sulla rivista Nature uno studio che mostra come un trattamento chimico-meccanico di alcuni tipi di legno possa portare al rafforzamento della sua struttura, rendendola più resistente dell’acciaio. Come ha detto infatti Liangbing Hu, professore associato di scienza dei materiali e ingegneria, membro del Maryland Energy Innovation Institute e a capo del team che ha realizzato la ricerca, «il nuovo modo di trattare il legno lo rende 11,5 volte più forte del legno naturale e dieci volte più duro». Il nuovo materiale «potrebbe essere un concorrente dell'acciaio o addirittura delle leghe di titanio, grazie alla sua resistenza. È anche paragonabile alla fibra di carbonio, ma è molto meno costoso», ha proseguito Liangbing Hu.

In alto, la struttura del legno prima del trattamento messo a punto dai ricercatori dell'università del Maryland; in basso, dopo. Immagine ottenuta con un microscopio elettronico a scansione. La foto in basso è dieci volte più ingrandita rispetto a quella sopra: la microstruttura è palesemente più compatta

Il processo seguito dai ricercatori della University of Maryland è il seguente. Tavole di diversi tipi di legno, tra cui quello di quercia, sono state sottoposte a una bollitura di sette ore in una soluzione di idrossido di sodio (la comune soda caustica) e di solfito di sodio. In seguito a questo trattamento, il legno mantiene al suo interno amido e cellulosa -il duro polimero naturale che compone le cellule tubolari che convogliano l'acqua attraverso il tessuto vegetale- ma vengono eliminati altri composti come la lignina, un polimero che nel legno naturale tiene insieme le fibre di cellulosa e che conferisce il tipico colore bruno. Poi il materiale, la cui struttura in questo stadio del trattamento contiene diversi spazi vuoti, viene pressato alla temperatura di 100 gradi centigradi per 24 ore. Il risultato finale è una tavola di legno con uno spessore di un quinto di quella originale, ma con una densità tre volte superiore e, soprattutto, una capacità di resistere ai cedimenti 11,5 volte maggiore rispetto all’originale. La tavola, analizzata con un microscopio elettronico a scansione, mostra che il processo frantuma i microtubi di cellulosa accartocciandoli e incastrandoli insieme. Come spiega Liangbing Hu, il nuovo materiale è composto da «tutte le nanofibre allineate nel senso della crescita. Legni teneri come il pino o la balsa, che crescono velocemente e sono più rispettosi dell'ambiente, potrebbero sostituire i legni più lenti a crescere ma più densi come il teak, nei mobili o negli edifici. Potrebbe essere utilizzato nelle auto, in aerei ed edifici, in qualsiasi applicazione in cui viene utilizzato l'acciaio», ha sottolineato ancora Hu.

Il test
La robustezza del materiale ottenuto con il nuovo procedimento è stata testata utilizzando uno speciale cannoncino ad aria compressa, normalmente impegato per provare la resistenza dei veicoli militari. Un laminato composto da cinque tavole del nuovo materiale, con uno spessore complessivo di soli tre millimetri, si è dimostrato in grado di fermare un proiettile di metallo del peso di 46 grammi sparato a una velocità di circa 30 metri al secondo (108 chilometri orari). La velocità del proiettile utilizzato è molto inferiore a quella delle pallottole di un’arma, che è dell’ordine di parecchie centinaia di metri al secondo, ma è paragonabile, come fa notare ancora Liangbing Hu, a quella di un’auto in movimento, rendendo quindi possibile l’utilizzo del nuovo materiale anche nei veicoli a motore, considerando inoltre lo spessore assai sottile del laminato utilizzato durante le prove.

Lo studio del team dell’università del Maryland è stato apprezzato anche da ricercatori esterni, come per esempio Huajian Gao, professore alla Brown University: «[la ricerca] apre un percorso molto promettente per la progettazione di materiali strutturali dal peso leggero e dalle alte prestazioni, con un enorme potenziale per una vasta gamma di applicazioni dove sono richieste elevata resistenza e tenacità. È particolarmente interessante il fatto che il metodo è utilizzabile con varie specie di legno ed è abbastanza facile da implementare», ha concluso.

Ricerche in corso: il legno materiale del futuro?
I tentativi di creare a partire dal legno materiali con una resistenza fisica elevatissima non sono una novità: alcuni studi risalgono al periodo della seconda guerra mondiale, dove il legno veniva utilizzato spesso anche per la costruzione di velivoli da guerra (come il celebre de Havilland DH.98 Mosquito, un bimotore multiruolo in forza alla Raf e all’aeronautica militare Usa, costruito in oltre 7.500 esemplari).

Finora, però, gli studi si sono concentrati più sulla sintesi di nuovi materiali ottenuti estraendo le nanofibre in cellulosa dalla struttura del legno, mentre l’approccio tenuto dai ricercatori della University of Maryland parte dal trattamento di lamine di legno naturale. Gli studi però proseguono, anche seguendo altre strade: Fred Kamke, professore alla Oregon State University di Corvallis, ha ricordato che anche senza rimuovere la lignina, ma utilizzando tecniche differenti -come l'applicazione al legno di temperature più elevate, la cottura a vapore e il trattamento con resine - si possono ottenere prestazioni simili a quelle registrate dal team della università del Maryland. E, sottolinea Kamke, «questi altri metodi sono probabilmente molto meno costosi di una ebollizione del materiale della durata di 7 ore in una soluzione caustica». In alcune prove da lui condotte, 24 strati di legno densificato, non trattato da sostanze chimiche, sono stati in grado di fermare un proiettile di 9 millimetri sparato da una pistola.

Insomma, la creazione di materiali ad altissima resistenza a partire dal legno, un materiale spesso molto più facilmente disponibile dell’acciaio, presente in zone del pianeta prive di risorse minerarie e naturali, è appena iniziata.

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