Ecco il “super Legno”, il nuovo materiale strutturale ad alte prestazioni | Ingegneri.info

Ecco il “super Legno”, il nuovo materiale strutturale ad alte prestazioni

Parliamo del “super Legno” e delle sue sorprendenti prestazioni meccaniche: pubblicate sulla rivista “Nature”, aprono ad una vasta gamma di impieghi in campo strutturale

Prof. Liangbing Hu (sx) e Prof. Teng Li (dx) - courtesy University of Maryland
Prof. Liangbing Hu (sx) e Prof. Teng Li (dx) - courtesy University of Maryland
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Il “super Legno” è nato grazie alle ricerche di un team di ingegneri dell’Università del Maryland (USA): il nuovo materiale ad altre prestazioni, frutto dell’ingegnerizzazione di un prodotto naturale presenterebbe caratteristiche meccaniche significative, paragonabili ad alcuni gradi dell’acciaio da costruzione o a diverse leghe in titanio, ma circa 6 volte più leggero del primo (1,30 g/cm³ contro 7,5/8,0 g/cm³). Inoltre, questi parrebbe offrire notevoli vantaggi economici, sia rispetto all’impiego della fibra di carbonio, sia in termini di impatto ambientale, relativamente alle lavorazioni necessarie all’ottenimento dei materiali strutturali sintetici.

Qui di seguito spiegheremo:

 

I dati tecnici e le prestazioni del nuovo materiale strutturale

Verosimilmente realizzato con legno di conifera ricavato dal Pinus strobus (Pino strobo) con densità naturale compresa tra 0,35 e 0,50 g/cm³, gli studi compiuti ne evidenziano una massa volumica di 0,43 ± 0,02 g/cm³ contro quella di 1,30 ± 0,02 g/cm³ del legno ingegnerizzato. Ecco a seguire alcuni dati, utili a comprendere i pregevoli miglioramenti medi delle prestazioni meccaniche, ottenute su un set di 8 campioni testati dati da provini piccoli netti.

Partendo dalla rigidezza, essa si presenta di quasi 11 volte maggiore rispetto a quella del legno naturale, con valori di 51,6 GPa contro 4,8 GPa. In merito alle prove di durezza, plausibilmente di tipo Rockwell, la prova di rimbalzo evidenzia risultati 13 volte superiori rispetto a quella su di un consueto legno reperibile in natura, di 30 volte alla prova di rigatura (0,6 GPa contro 0,02 GPa) e di 8,3 volte alla prova di smorzamento (11,41 J/cm2 contro 1,38 J/cm2). La compressione assiale, parallela alla fibre, indica inoltre valori di 5,5 volte maggiori rispetto ad un legno naturale pressato (163,6 MPa contro 29,6 MPa), mentre quella ad esse perpendicolare incrementa fino a 52,3 volte (203,8 MPa contro 3,9 MPa). Tale composto ligneo densificato è, infine, in grado di dissipare significativamente l’energia della traiettoria balistica di un proiettile, qualora previsto in sezioni multistrato.

"super Legno" - legno non trattato (sx) e legno trattato (dx) - ingrandimenti - courtesy University of Maryland

“super Legno” – legno non trattato (sx) e legno trattato (dx) – ingrandimenti – courtesy University of Maryland

Il legno densificato pressato: il processo produttivo

Il processo inizia con la rimozione parziale della lignina contenuta, ossia del composto polifenolico di tipo chimico a cui è imputabile sia la rigidezza, sia la colorazione marrone, del legname. Essa avviene decrementandola di circa il 45,0% rispetto al suo contenuto totale, pari all’11,3%, contemplando un contenuto complessivo di emicellulosa del 5,2%. Quest’ultima è una dei componenti del legno, in maniera particolare delle membrane cellulari lignee. Successivamente, la rimanenza viene assoggettata ad un processo di ebollizione in una miscela acquosa di idrossido di sodio (NaOH) e di solfito di sodio (Na2SO3), seguito dalla pressatura a calore moderato, la quale impiega una temperatura di circa 150°F (corrispondente a 65,5°C).

Ciò porta al totale collasso delle pareti cellulari e alla completa densificazione del legno naturale, con nanofibre di cellulosa altamente allineate. Queste ultime aumentano dunque di densità, inglobando l’eventuale presenza di difetti locali di origine naturale (quali spaccature, cipollature o nodi). Il team ha così scoperto come le fibre componenti la struttura fibrosa del legno, qualora pressate insieme, siano in grado di formare forti legami a idrogeno nelle catene molecolari di cellulosa vicine, durante il loro relativo scorrimento. Tale processo consentirebbe di ridurre sensibilmente lo spessore del legname necessario, fino a 5 volte rispetto ad un corrispettivo di origine naturale.

"super Legno" - processo di ottenimento del legno densificato pressato - courtesy of Nature

“super Legno” –
processo di ottenimento del legno densificato pressato – courtesy of Nature

I campi di applicazione del “super Legno”

Tale scoperta potrebbe aprire ad nuove considerazioni in merito allo sfruttamento a fini commerciali del legno, favorendo la coltura di essenze a veloce accrescimento, come pino e balsa, a scapito di altre, quali il teak, agendo poi artificiosamente per modificarne la densità specifica. Inoltre, la possibilità di avere materiali più sottili e a resistenza maggiorata influirebbe positivamente sul comparto edile, riducendo il peso degli elementi e migliorandone, al contempo, la performance sismica. Inoltre, minor peso si tradurre anche in un risparmio sui combustibili per il trasporto, presso l’area di cantiere, del materiale.

In ultimo, l’incremento delle superfici di piano renderebbe più economicamente vantaggiose le operazioni immobiliari macro e micro. L’aumento degli spazi calpestabili interni agli edifici gioverebbe, dunque, sia agli immobiliaristi che ai locatori delle singole unità, abitative e commerciali. Una versatilità, quella assicurata dal processo sopra descritto, che consentirebbe di adattarsi a varie tipologie di legno di conifera e latifoglia (tra cui quercia, pioppo, cedro), in modo abbastanza agevole.

Liangbing Hu (sx) e Teng Li (dx) - courtesy University of Maryland

Liangbing Hu (sx) e Teng Li (dx) – courtesy University of Maryland

Il team di ricerca

Il team di ingegneri dell’Università del Maryland (USA) è stato guidato da 2 referenti scientifici: Liangbing Hu e Teng Li. Entrambi Professori Associati presso la medesima Università, il primo presenta interessi nella ricerca applicata i quali vertono, tra gli altri, nel campo dei nanomateriali e delle nanostrutture. Tali temi includono i materiali 2D in genere, come ad esempio la nanocellulosa, ossia la carta trasparente potenziale sostituta della plastica. Il secondo, incardinato presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica, ha ambiti di ricerca che interessano la meccanica dei materiali sostenibili e la nanoelettronica, fino ai film sottili e alle strutture multistrato.

Tale nutrito team che ha collaborato al progetto, composto da ben 22 elementi, ha reso noti i risultati di questa ricerca relativa alle proprietà meccaniche di tale legno pubblicandoli sulla prestigiosa rivista “Nature”, all’interno del numero 554: https://www.nature.com/articles/nature25476

Per maggiori informazioni, si consiglia di consultare il sito web dell’Università del Maryland e, in dettaglio, le pagine dei due referenti accademici, Proff. Liangbing Hu e Teng Li: https://umd.edu/

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