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La Madera Triturada Es Más Fuerte Que El Acero

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Un baño químico y una prensa en caliente pueden transformar la madera en un material más resistente que el acero, informan los investigadores. El proceso, y otros similares, podrían hacer del 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 1 .

Los intentos de fortalecer la madera se remontan a décadas . Algunos esfuerzos se han centrado en la síntesis de nuevos materiales mediante la extracción de las nanofibras en celulosa, el polímero natural duro en las células tubulares que canalizan el agua a través del tejido vegetal.

El equipo de Li tomó un enfoque diferente: los investigadores se enfocaron en modificar la estructura porosa de la madera natural. Primero, cocieron 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 en su mayoría intacta, pero creó más espacio hueco en la estructura de madera mediante la eliminación de algunos de los compuestos circundantes. Estos incluyen lignina, un polímero que se une a la celulosa.

Luego, el equipo presionó 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 2 .

La microscopía electrónica de barrido mostró que el último proceso aplasta los tubos de celulosa hasta que se deforman y se entrelazan. “Tienes todas estas nanofibras alineadas en la dirección de crecimiento”, dice Hu Liangbing, un científico de 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 grosor 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, dice Hu, pero es comparable a la velocidad a la que un automóvil podría estar en movimiento antes de una colisión, lo que hace que el material sea adecuado para su uso en vehículos.

 

Una cuestión de fuerza

Algunos investigadores dicen que están decepcionados con las mejoras del grupo sobre los métodos de densificación anteriores. Fred Kamke de la Oregon State University en Corvallis dice que incluso sin eliminar la lignina, otras técnicas, como la aplicación de temperaturas más altas, vaporizar la madera antes del tratamiento y tratarla con resinas, pueden lograr la mayor parte del aumento reportado en el rendimiento. “Estos otros métodos son probablemente mucho menos costosos que un hervor de 7 horas en una solución cáustica”, dice. En sus propias pruebas, 24 capas de madera densificada sin tratamiento químico pudieron detener una bala de 9 milímetros de una pistola .

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 estaba claro cuánto contribuyó el enredo 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. Pruebas adicionales, dicen, se encuentran en trabajos previos 4 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, dicen.

El último estudio también sigue el trabajo 3 publicado en enero en el que los investigadores eliminaron toda la lignina y comprimieron el material a temperatura ambiente, lo que resultó en un incremento de tres veces en la fuerza.

Hu dice que el principal hallazgo de su estudio es que la eliminación de la cantidad correcta de lignina es clave para maximizar el rendimiento. En los experimentos de su equipo, la eliminación de demasiado del polímero dio como resultado una madera menos densa y quebradiza, lo que sugiere que algo de sobrante de lignina es útil para unir las fibras de celulosa cuando se presionan en caliente. La madera era más fuerte 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 “.

fuente: MA

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