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  • 08/02/2018

Biomecánica

La madera aplastada es más fuerte que el acero

Si se comprime y se eliminan algunos de sus polímeros, la madera puede multiplicar su resistencia diez veces.

Nature

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Una nueva técnica podría transformar la madera en una alternativa ecológica al uso de plásticos y metales en la fabricación de automóviles y edificios.[iStock/ fotoVoyager]

Un baño químico y un prensado en caliente pueden transformar la madera en un material más resistente que el acero, según un estudio. El proceso, y otros similares, podrían transformar este material humilde en una alternativa ecológica al uso de plásticos y metales en la fabricación de automóviles y edificios.

«Se trata de un nuevo tipo de materiales con un gran potencial», explica Li Teng, investigador de la Universidad de Maryland y coautor del trabajo, publicado el 7 de febrero en la revista Nature.

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

El equipo de Li tomó un enfoque diferente: los investigadores se centraron en modificar la estructura porosa de la madera natural. Primero, hirvieron diferentes tipos de madera, incluida la de roble, en una solución de hidróxido de sodio y sulfito de sodio durante siete horas. Ese tratamiento dejó intacta casi toda la celulosa, pero creó más huecos en la estructura de madera mediante la eliminación de algunos de los compuestos circundantes. Entre ellos, la lignina, un polímero que aprisiona la celulosa.

A continuación, al estilo de una  sandwichera, presionaron el bloque a 100 grados centígrados durante todo 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 anteriores para densificar la madera habían mejorado su resistencia en un factor de aproximadamente entre tres y cuatro.

El microscopio electrónico de barrido reveló que el último proceso aplastaba los tubos de celulosa hasta que se arrugaban y se entrelazaban. «Todas las nanofibras se alinean en la dirección de crecimiento", explica Hu Liangbing, investigador de la Universidad de Maryland que formó parte del equipo.

Para evaluar la dureza del material, el equipo disparó perdigones con una pistola balística de aire comprimido, método que habitualmente se utiliza para poner a prueba la resistencia al impacto en 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 unos 30 metros por segundo.

Es una velocidad mucho más lenta que los varios de cientos de metros por segundo en los que viaja una bala, aclara Hu, pero es comparable a la velocidad a la que un automóvil podría moverse antes de una colisión, lo que convierte este nuevo material en adecuado para su uso en vehículos.

Cuestión de fuerza

Algunos investigadores indican que los hallazgos no les convencen, si se tienen en cuenta los métodos de densificación ya existentes. Fred Kamke, investigador de la Universidad Estatal de Oregon, aclara que incluso sin eliminar la lignina, existen otras técnicas - como la aplicación de altas temperaturas, vaporización de la madera antes del tratamiento y el tratamiento con resinas- con las que se pueden lograr la mayor parte del aumento alcanzado con la nueva técnica. «Estos otros métodos son probablemente mucho menos costosos que una ebullición de siete horas en una disolución cáustica», añade. En sus propios experimentos, 24 capas de madera densificada sin tratamiento químico pudieron detener una bala de 9 milímetros.

Michaela Eder, investigadora del Instituto Max Planck de Coloides e Interfaces en Potsdam,  señala que comprimir la madera para aumentar su densidad seguro que mejora su resistencia, pero no está claro cuánto contribuye a ello el enredo de las nanofibras. Hu y Li argumentan que las simulaciones de su equipo sugieren que el aumento de fuerza se debe al efecto de los puentes de hidrógeno que se forman cuando las nanofibras se enredan. Sus  trabajos anteriores así lo demuestran. En ellos, extrajeron nanofibras de madera para crear un papel 40 veces más fuerte y 130 veces más resistente que el habitual, pero con solo un modesto aumento de su densidad. Esto sugiere que la unión de las fibras de incrementó su fuerza, aseguran autores.

El estudio reciente sigue la línea de otro trabajo publicado en enero, en el que los investigadores eliminaron toda la lignina y comprimieron el material a temperatura ambiente, lo que incrementó su fuerza tres veces.

Hu explica que el principal hallazgo de su estudio radica en que la eliminación de la cantidad correcta de lignina es clave para maximizar el rendimiento. En los experimentos de su equipo, la eliminación excesiva de este polímero dio como resultado una madera menos densa y más quebradiza, lo que sugiere que dejar algo de lignina es útil para unir las fibras de celulosa cuando se presionan en caliente. La madera más fuerte se consiguió eliminando alrededor del 45 por ciento de la lignina.

«Veo mucho potencial en esta nueva dirección», opina Eder, refiriéndose a ambos estudios. «Sobre todo me gusta el hecho de que están intentando utilizar las propiedades inherentes de la madera. Es un material fantástico para investigar y mejorar».

Mark Zastrow / Nature News

Artículo traducido y adaptado por Investigación y Ciencia con el permiso de de Nature Research Group.

Referencia: «Processing bulk natural wood into a high-performance structural material», por Song, J. et al. publicado en línea el 7 de febrero de 2018 en Nature 554, 224–228.

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