Il super legno più forte dell’acciaio
Arriva direttamente dall’Università del Maryland l’ultima importante novità nel campo dei materiali da costruzione e in particolare del legno. Sono tanti infatti i ricercatori che in tutto il mondo studiano la nanotecnologia naturale delle fibre lignee, al fine di poter sfruttare al meglio questo materiale soprattutto in ambito strutturale. Il legno infatti presenta di per se già delle caratteristiche meccaniche simili all’acciaio, e dallo studio della sua struttura a livello microscopico sono nati prodotti interessanti di cui abbiamo già parlato su queste pagine (Arriva un nuovo materiale, ecco il legno trasparente, Legno cemento: un composito molto performante, Trave in legno armato, ora si può!)
Ora Samuel P. Langley, professore associato di ingegneria meccanica presso la UMD Clark School, insieme al suo team di ricerca punta a creare un super legno 10 volte più resistente di quello tradizionale, tramite un processo innovativo che restituirà un prodotto finito dai risvolti applicativi davvero interessanti.
Le caratteristiche
Un nuovo modo di trattare il legno lo rende 12 volte più forte del legno naturale e 10 volte più duro, diventando potenzialmente un concorrente dell’acciaio o persino delle leghe di titanio. E’ così forte e durevole che è anche paragonabile alla fibra di carbonio, ma molto meno costoso. Il super legno è sia forte che duro, una combinazione che di solito non si trova in natura, è resistente come l’acciaio, ma 6 volte più leggero: richiede 10 volte più energia per la frattura rispetto al legno naturale e può persino essere piegato e modellato all’inizio del processo. Presenta valori di rigidezza quasi 11 volte maggiori rispetto a quella del legno naturale, 51,6 GPa contro 4,8 GPa. La compressione assiale ha valori di 5,5 volte maggiori rispetto ad un legno naturale pressato (163,6 MPa contro 29,6 MPa), mentre la compressione perpendicolare è fino a 52,3 volte superiore (203,8 MPa contro 3,9 MPa).
Per testare queste incredibili proprietà il team di ricerca ha messo a confronto una lastra di super legno con una lastra di quello naturale sparandogli contro proiettili di grande calibro. Come è possibile osservare nel seguente video il legno naturale si è lasciato completamente attraversare dal proiettile, mentre il super legno è riuscito a fermarlo, dissipando completamente l’energia della traiettoria.
I ricercatori hanno anche testato la resistenza all’umidità del nuovo materiale, ricavando risultati interessanti. Il super legno è stato sottoposto ad ambienti estremamente umidi per più di 5 giorni e si è deformato appena del 10%. Rivestendo inoltre il materiale con una vernice contro l’umidità, i ricercatori hanno ottenuto campioni che non si deformano dopo lunghe esposizioni in ambienti umidi.
Il processo
La lavorazione prevede due passaggi. Nel primo il legno viene immerso in una soluzione di idrossido di sodio e solfito di sodio, un procedimento tipico che serve per ottenere la polpa del legno per fare la carta e che permette di sciogliere e rimuovere parte della lignina e dell’emicellulosa dal legname. E’ proprio la lignina il composto più importante in questo passaggio, perché da essa dipende principalmente la rigidezza del materiale. Al termine del primo processo essa viene decrementata di circa il 45,0% rispetto al suo contenuto totale. Nel secondo processo il legno viene pressato, le pareti cellulari collassano, aumentano di densità e portano il materiale a compattarsi. In questa fase il legno rimane a lungo sotto pressione e viene lievemente riscaldato, formando forti legami ad idrogeno che rinforzano l’intera struttura.
L’osservazione più notevole è l’esistenza di una concentrazione limitante di lignina, la colla tra le cellule di legno, per massimizzare le prestazioni meccaniche del legno densificato. Una rimozione troppo piccola o eccessiva riduce la resistenza rispetto ad un valore massimo ottenuto con rimozione di lignina intermedia o parziale, il che rivela il sottile equilibrio che esiste tra il legame ad idrogeno e l’adesione impartita da tale composto polifenolico. Inoltre il processo di densificazione del legno porta a maggiore resistenza e tenacità, due proprietà che di solito si compensano a vicenda e che non si trovano nello stesso materiale.
Le applicazioni
L’elevata resistenza insieme al peso ridotto aprono le porte ad un uso massiccio di questo materiale in edilizia, supportato da un processo di lavorazione poco complesso, poco costoso e che richiede solamente diverse ore di lavoro. Tipologie di legni teneri come il pino o la balsa, che crescono velocemente e sono più rispettosi dell’ambiente, potrebbero sostituire i legni più lenti ma più densi come il teak, spesso utilizzato in ambito strutturale. Inoltre non scordiamoci dei possibili risvolti sismici: la rinnovata rigidezza insieme alla maggior leggerezza rende il super legno più resistente alle sollecitazioni alla base.