Les ingénieurs fortifient le bois avec des nano-fer écologiques

En infusant du chêne rouge avec de la ferrihydrite en utilisant un processus simple à faible coût, les chercheurs ont renforcé le bois au niveau cellulaire sans ajouter de poids ni modifier la flexibilité – offrant une alternative durable et respectueuse de l’environnement à l’acier et au béton. Le bois traité conserve son comportement naturel mais gagne une durabilité interne, ouvrant la voie à des alternatives plus vertes dans la construction, les meubles et les revêtements de sol.

Les scientifiques et les ingénieurs développent des matériaux de haute performance à partir de sources respectueuses de l’environnement comme les déchets des plantes. Un composant clé, la lignocellulose – est décédé dans le bois et de nombreuses plantes – peut être facilement collecté et modifié chimiquement pour améliorer ses propriétés.

En utilisant ces types de changements chimiques, les chercheurs créent des matériaux avancés et de nouvelles façons de concevoir et de construire de manière durable. Avec environ 181,5 milliards de tonnes de bois produites dans le monde chaque année, c’est l’une des plus grandes sources de matériaux renouvelables.

Des chercheurs du College of Engineering and Computer Science de la Florida Atlantic University, et des collaborateurs du laboratoire national de l’Université de Miami et d’Oak Ridge, voulaient savoir si l’ajout de minéraux extrêmement difficiles à l’échelle nanométrique pourrait rendre les murs des cellules en bois – sans rendre le bois lourd, cher ou mauvais pour l’environnement. Peu d’études ont étudié comment le bois traité fonctionne à différentes échelles, et aucun n’a renforcé avec succès des morceaux de bois en incorporant des minéraux inorganiques directement dans les parois cellulaires.

L’équipe de recherche s’est concentrée sur un type spécial de bois dur connu sous le nom de bois de ring, qui provient d’arbres à feuilles larges comme le chêne, l’érable, la cerise et la noix. Ces arbres présentent de grands navires en forme d’anneau dans le bois qui transportent l’eau des racines aux feuilles.

Pour l’étude, les chercheurs ont utilisé du chêne rouge, un bois dur commun en Amérique du Nord et ont introduit un composé de fer dans le bois par une simple réaction chimique. En mélangeant du nitrate ferrique avec de l’hydroxyde de potassium, ils ont créé du ferrihydrite, un minéral d’oxyde de fer couramment trouvé dans le sol et l’eau.

Résultats de l’étude, publiés dans la revue MATÉRIAUX ET INTERFACES APSa révélé qu’une méthode chimique simple et rentable utilisant un minéral sûr appelé oxyhydroxyde de fer nanocristallin peut renforcer les minuscules parois cellulaires dans le bois tout en ajoutant seulement une petite quantité de poids supplémentaire.

Bien que la structure interne soit devenue plus durable, le comportement global du bois – tel qu’il se plie ou se casse – est resté largement inchangé. Cela est probablement dû au fait que le traitement a affaibli les connexions entre les cellules du bois individuelles, affectant la façon dont le matériau tient ensemble à plus grande échelle.

Les résultats suggèrent qu’avec le bon traitement chimique, il est possible d’améliorer la force du bois et d’autres matériaux à base de plantes sans augmenter leur poids ni nuire à l’environnement. Ces matériaux à base de bio pourraient un jour remplacer les matériaux de construction traditionnels comme l’acier et le béton dans des applications telles que des bâtiments hauts, des ponts, des meubles et des revêtements de sol.

“Le bois, comme de nombreux matériaux naturels, a une structure complexe avec différentes couches et caractéristiques à différentes échelles. Pour vraiment comprendre comment le bois porte les charges et finit par échouer, il est essentiel de l’examiner à travers ces différents niveaux”, a déclaré Vivian Merk, Ph.D., auteur principal et professeur adjoint au Département de l’océan et de l’Océan et du génie mécanique, du département Biomédical FAU, et du Département de chimie FAU et de la FAU dans le service de l’adhésion biomédicale, et le FAU Department of Cheminée et Bicocheter dans le sein de l’Empière Biomedical, et le FAU Department of Cheminée et Bicocheminer dans le sein de l’Empière Biomedical, et du FAU Department of Cheminée et Bicocheminer dans l’E. Schmidt College of Science.

“Pour tester notre hypothèse – qui ajouter de minuscules cristaux minéraux aux parois cellulaires les renforcerait – nous avons utilisé plusieurs types de tests mécaniques à l’échelle nanométrique et à l’échelle macroscopique.”

Pour l’étude, les chercheurs ont utilisé des outils avancés comme la microscopie à force atomique (AFM) pour examiner le bois à très petite échelle, ce qui leur permet de mesurer des propriétés telles que la rigidité et l’élasticité. Plus précisément, ils ont utilisé une technique appelée AM-FM (modulation d’amplitude – modulation de fréquence), qui vibre la pointe AFM à deux fréquences différentes. Une fréquence génère des images de surface détaillées, tandis que l’autre mesure l’élasticité et l’adhérence du matériau. Cette méthode leur a donné une vue précise de la façon dont les parois cellulaires du bois ont été modifiées après avoir été traitées avec des minéraux.

De plus, l’équipe a effectué des tests de nanoindentation dans un microscope électronique à balayage (SEM), où de minuscules sondes ont été pressées dans le bois pour mesurer sa réponse à la force dans différentes zones. Pour compléter leur analyse, ils ont effectué des tests mécaniques standard – tels que plier à la fois des échantillons de bois non traités et traités – pour évaluer leur résistance globale et comment ils se sont rompus sous le stress.

“En regardant le bois à différents niveaux – des structures microscopiques à l’intérieur des parois cellulaires jusqu’au morceau de bois complet – nous avons pu en savoir plus sur la façon d’améliorer chimiquement les matériaux naturels pour une utilisation réelle”, a déclaré Merk.

Cette combinaison de tests à petite et à grande échelle a aidé les chercheurs à comprendre comment le traitement a affecté à la fois les détails fins à l’intérieur des parois cellulaires et la force globale du bois.

“Cette recherche marque un progrès important dans la science des matériaux durables et une foulée significative vers la construction et le design respectueux de l’environnement”, a déclaré Stella Batalama, Ph.D., le doyen du College of Engineering and Computer Science.

«En renforçant le bois naturel à travers des méthodes soucieuses de l’environnement et des méthodes rentables, nos chercheurs jettent les bases d’une nouvelle génération de matériaux bio-basés qui ont le potentiel de remplacer les matériaux traditionnels comme l’acier et le béton dans des applications structurelles.

“L’impact de ce travail va bien au-delà du domaine de l’ingénierie – il contribue aux efforts mondiaux visant à réduire les émissions de carbone, à réduire les déchets et à adopter des solutions durables et inspirées de la nature pour tout, des bâtiments aux infrastructures à grande échelle.”