Gli scienziati hanno fabbricato legno artificiale da resine sintetiche che, imitando il legno naturale, mostra proprietà migliorate per un uso multifunzionale.
Il legno è un biologico tessuto fibroso presente negli alberi, nei cespugli e negli arbusti. Il legno può essere definito il materiale più utile e forse il più versatile pianeta Terra. È stato utilizzato per migliaia di anni per molteplici scopi ed è molto apprezzato per la sua bassa densità e l'elevata resistenza. L'esclusiva struttura cellulare anisotropa (cioè proprietà diverse in direzioni diverse) del legno gli conferisce proprietà meccaniche sorprendenti e lo rende forte, rigido ma allo stesso tempo leggero e flessibile. Il legno ha un’elevata resistenza alla compressione e una bassa resistenza alla trazione. Il legno è rispettoso dell'ambiente e dei costi, super resistente, durevole e di lunga durata e può essere utilizzato per costruire qualsiasi cosa, dalla produzione di carta alla costruzione di case.
La natura ci ha già fornito materiali straordinari come il legno. Eppure c'è sempre un'ispirazione che ruota intorno alla natura per noi per progettare e sviluppare materiali di ingegneria biomimetica ad alte prestazioni, quelli che potrebbero "imitare" le straordinarie proprietà dei biomateriali già presenti in natura. L'unicità del legno deriva dalla sua struttura cellulare anisotropa insieme alla bassa densità e all'elevata resistenza. Nel recente passato gli scienziati hanno cercato di progettare materiali considerando questo concetto nel tentativo di duplicare le proprietà del legno come l'elevata resistenza e la leggerezza. Tuttavia, la maggior parte della ricerca ha portato a risultati insoddisfacenti in quanto i materiali progettati soffrivano di un difetto o dell'altro. Rimane ancora una sfida sostanziale da costruire per gli ingegneri artificiale materiali simili al legno. Questo è di grande rilevanza perché ci vogliono decenni per coltivare il legno naturale e il tempo e l'efficienza sono un criterio forte quando si cerca di realizzare un materiale simile al legno naturale.
Legno bioispirato
I ricercatori dell'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina hanno ideato una nuova strategia per la fabbricazione di polimeri artificiali bioispirati legno su larga scala. Questo materiale artificiale ha una microstruttura cellulare simile al legno, una buona controllabilità nelle microstrutture e dimostrerebbe proprietà come leggerezza e alta resistenza analoghe alle proprietà meccaniche del legno naturale. I ricercatori affermano che questo nuovo materiale è resistente come il legno naturale, a differenza di qualsiasi altro legno ingegnerizzato ricercato fino ad oggi.
Il legno che si trova in natura contiene un polimero naturale chiamato lignina che è responsabile della robustezza del legno. La lignina lega insieme piccoli cristalliti di cellulosa in una struttura a rete per creare un'elevata resistenza. I ricercatori hanno pensato di replicare la lignina utilizzando un polimero sintetico chiamato resol che ha proprietà simili. Hanno convertito con successo resol disponibili tradizionalmente (resina fenolica e resina melamminica) in legno artificiale come materiale. La conversione è stata ottenuta utilizzando prima le proprietà di autoassemblaggio del resol polimerico e poi subendo il mocuring. Per ottenere l'autoassemblaggio, le resine termostatiche liquide sono state congelate in modo unidirezionale, quindi polimerizzate (reticolate o polimerizzate) a temperature non superiori a 200 gradi Celsius. Il legno ingegnerizzato prodotto adotta una struttura cellulare molto simile a quella del legno naturale. Successivamente, è stato eseguito il termoindurimento - un processo che consiste nel cambiamento chimico indotto dalla temperatura (qui, polimerizzazione) in resol - per produrre legni polimerici artificiali. La dimensione dei pori e lo spessore della parete di tale materiale possono essere controllati manualmente. Non solo, i cristalliti che rende il resol possono essere modificati anche in base all'esigenza del tipo di legno. Il colore potrebbe anche essere alterato aggiungendo o scambiando i cristalliti che tengono insieme il resol. Quando questo legno ingegnerizzato viene compresso, mostra una resistenza simile alla sua controparte naturale. L'approccio descritto nello studio può anche essere definito come un approccio ecologico per preparare legni artificiali in cui è possibile utilizzare compost di nanomateriali come nanofibre di cellulosa e ossido di grafene.
È interessante notare che il legno artificiale ingegnerizzato mostra una migliore resistenza alla corrosione all'acqua e agli acidi rispetto al legno naturale, pur non assumendo alcun declino nelle sue proprietà meccaniche. Ciò significa che il legno artificiale può resistere a eventi meteorologici estremi e sarebbe migliorato nel fornire protezione. Mostra anche un migliore isolamento termico e una migliore resistenza al fuoco e non prende fuoco facilmente come fa il legno naturale, principalmente perché il resol è ignifugo. Questo può essere un vantaggio per settori come la produzione e l'edilizia, in particolare gli edifici residenziali che prendono fuoco se costruiti con legno naturale. Il materiale è ideale per ambienti difficili e difficili in quanto è piuttosto migliorato rispetto al legno naturale. È unico rispetto ai materiali di ingegneria standard come la ceramica cellulare e gli aerogel per quanto riguarda la resistenza e le proprietà di isolamento termico. È anche più efficace della maggior parte dei compositi plastica-legno grazie alla sua maggiore resistenza. Il legno ingegnerizzato ha molte proprietà che lo rendono più efficiente.
La nuova strategia descritta in questo studio pubblicato su Anticipi Scienza fornisce nuove strade per fabbricare e progettare una varietà di materiali compositi di ingegneria biomimetica ad alte prestazioni che avranno alcuni vantaggi significativi rispetto alle loro controparti tradizionali. Tali nuovi materiali possono avere ampie applicazioni in molti campi.
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Fonte (s)
Zhi-Long Y et al. 2018 Legni polimerici bioispirati. Anticipi Scienza. 4 (8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
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