Un baño químico y una prensa en caliente pueden transformar la madera en un material más resistente que el acero, según informan investigadores. El proceso podría hacer de este material humilde una alternativa ecológica al uso de plásticos y metales en la fabricación de automóviles y edificios.
«Es una nueva clase de materiales con gran potencial», dice Li Teng, especialista en mecánica de la Universidad de Maryland en College Park y coautor del estudio publicado el 7 de febrero en Nature.
Los intentos de fortalecer la madera comenzaron varias a décadas atrás. Algunos esfuerzos se han centrado en la síntesis de nuevos materiales mediante la extracción de las nanofibras de la celulosa – un polímero natural duro que se encuentra en las células tubulares por donde se canaliza el agua a través del tejido vegetal.
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El equipo de Li tomó un camino diferente: los investigadores se enfocaron en modificar la estructura porosa de la madera natural. Primero, hirvieron diferentes tipos de madera, incluido el roble, en una solución de hidróxido de sodio y sulfito de sodio durante siete horas. Ese tratamiento dejó la celulosa almidonada casi intacta, pero creó más espacio hueco en la estructura de madera mediante la eliminación de algunos de los compuestos circundantes. Estos incluyen a la lignina, un polímero que se adhiere a la celulosa.
Luego, el equipo comprimió el bloque, como un sándwich panini, a 100 ºC por un día. El resultado: un tablón de madera con una quinta parte del espesor, pero tres veces más denso que la madera natural y 11,5 veces más resistente. Los intentos previos de densificar la madera han mejorado la resistencia en un factor de aproximadamente tres a cuatro veces.
Con la ayuda de un microscopio electrónico se pudo apreciar que el proceso aplasta los tubos de celulosa hasta que se deforman y se entrelazan. «Tienes todas estas nanofibras alineadas en la dirección de crecimiento», comentó Hu Liangbing, un científico especialista en materiales de la Universidad de Maryland en College Park que formó parte del equipo.
Para probar la dureza del material, el equipo disparó pelotillas desde una pistola de aire balístico normalmente utilizada para probar la resistencia al impacto de los vehículos militares. Cinco capas del material laminado juntas (solo 3 milímetros de espesor en total) pudieron detener un proyectil de acero de 46 gramos que viajaba a aproximadamente 30 metros por segundo.
Eso es mucho más lento que los varios cientos de metros por segundo en los que viaja una bala, agrega Hu, pero es similar a la velocidad a la que un automóvil podría estar viajando antes de una colisión, lo que hace que el material sea adecuado para su uso en vehículos.
Una cuestión de fuerza
Algunos investigadores no están ilusionados con los hallazgos del grupo en cuanto a las ventajas respecto de métodos de densificación conocidos. Fred Kamke de Oregon State University en Corvallis sostuvo que incluso sin eliminar la lignina, otras técnicas – como la aplicación de temperaturas más altas, haciendo fluir la madera antes de tratarla con resinas, se puede lograr prácticamente el mismos resultado . «Estos otros métodos son probablemente mucho menos costosos que un hervor de 7 horas en una solución cáustica», agrega. En sus propios ensayos, 24 capas de madera densificada sin tratamiento químico pudieron detener una bala de de una pistola 9 milímetros.
Michaela Eder, investigadora en biomecánica de plantas en el Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces en Potsdam, Alemania, señala que comprimir la madera para aumentar su densidad debería mejorar naturalmente su resistencia, pero no quedó claro cuánto fue el aporte del entrelazado de las nanofibras. Hu y Li dicen que las simulaciones de su equipo sugieren que el aumento en la fuerza es consistente con los efectos de los enlaces de hidrógeno que se forman cuando las nanofibras se enredan. Trabajos previos en los que extrajeron nanofibras de madera para hacer papel 40 veces más fuerte y 130 veces más resistente, pero con un aumento modesto en la densidad. Esto sugiere que las fibras de celulosa se unen para lograr la fuerza superior, sostuvieron.
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El último estudio enn línea con el trabajo publicado en enero, los investigadores eliminaron toda la lignina y comprimieron el material a temperatura ambiente, lo que resultó en un incremento de tres veces en la resistencia.
Hu dice que el principal hallazgo de su estudio es que la eliminación de la cantidad correcta de lignina es clave para maximizar la performance. En los experimentos de su equipo, la eliminación de demasiada cantidad del polímero dio como resultado una madera menos densa y quebradiza, lo que sugiere que dejar algo de lignina es útil para unir las fibras de celulosa cuando se presionan en caliente. La madera alcanzó la mayor resitencia cuando aproximadamente el 45% de la lignina se eliminó.
«Veo mucho potencial en esta dirección», dice Eder, refiriéndose a ambos documentos. «Lo que me gusta es que están tratando de hacer uso de las propiedades inherentes de la madera en sí. Es un material fantástico para trabajar y mejorar «.
