Cientistas e engenheiros estão desenvolvendo materiais de alto desempenho de fontes ecológicas, como resíduos de plantas. Um componente -chave, lignocelulose – encontrado em madeira e muitas plantas – pode ser facilmente coletado e quimicamente modificado para melhorar suas propriedades.
Ao usar esses tipos de mudanças químicas, os pesquisadores estão criando materiais avançados e novas maneiras de projetar e construir de forma sustentável. Com cerca de 181,5 bilhões de toneladas de madeira produzidas globalmente a cada ano, é uma das maiores fontes de materiais renováveis.
Pesquisadores da Faculdade de Engenharia e Ciência da Computação da Florida Atlantic College, e colaboradores da Universidade de Miami e do Laboratório Nacional de Oak Ridge, queriam descobrir se a adição de minerais extremamente difíceis na nanoescala poderia tornar as paredes das células de madeira mais fortes – sem fortalecer a madeira pesada, cara ou ruim para o ambiente. Poucos estudos investigaram o desempenho da madeira tratada em diferentes escalas, e nenhuma fortaleceu com sucesso peças inteiras de madeira, incorporando minerais inorgânicos diretamente nas paredes celulares.
A equipe de pesquisa se concentrou em um tipo especial de madeira conhecida como madeira porosa anel, que vem de árvores de folhas largas como carvalho, bordo, cereja e noz. Essas árvores apresentam vasos grandes em forma de anel na madeira que transportam água das raízes para as folhas. Para o estudo, os pesquisadores usaram carvalho vermelho, uma madeira comum na América do Norte, e introduziram um composto de ferro na madeira através de uma simples reação química. Ao misturar nitrato férrico com hidróxido de potássio, eles criaram ferri -hidrita, um mineral de óxido de ferro comumente encontrado no solo e na água.
Resultados do estudo, publicado na revista Materiais Aplicados ACS e Interfacesrevelou que um método químico simples e econômico usando um mineral seguro chamado oxi-hidróxido de ferro nanocristalino pode fortalecer as minúsculas paredes celulares dentro da madeira, adicionando apenas uma pequena quantidade de peso additional. Embora a estrutura interna se tornasse mais durável, o comportamento geral da madeira – como como ela se inclina ou quebra – permaneceu praticamente inalterado. Isso é provavelmente porque o tratamento enfraqueceu as conexões entre células de madeira individuais, afetando como o materials se mantém em uma escala maior.
Os resultados sugerem que, com o tratamento químico certo, é possível aumentar a força da madeira e outros materiais à base de plantas sem aumentar seu peso ou prejudicar o meio ambiente. Esses materiais de base biológica podem um dia substituir materiais de construção tradicionais, como aço e concreto em aplicações, como edifícios altos, pontes, móveis e pisos.
“Wooden, like many pure supplies, has a posh construction with completely different layers and options at various scales. To really perceive how wooden bears masses and finally fails, it is important to look at it throughout these completely different ranges,” mentioned Vivian Merk, Ph.D., senior creator and an assistant professor within the FAU Division of Ocean and Mechanical Engineering, the FAU Division of Biomedical Engineering, and the FAU Division of Chemistry and Biochemistry inside the Charles E. Schmidt School of Science. “Para testar nossa hipótese – que a adição de pequenos cristais minerais às paredes celulares os fortaleceria – empregamos vários tipos de testes mecânicos na escala nanoescala e macroscópica”.
Para o estudo, os pesquisadores usaram ferramentas avançadas como a Microscopia de Força Atômica (AFM) para examinar a madeira em uma escala muito pequena, permitindo que eles medam propriedades como rigidez e elasticidade. Especificamente, eles empregaram uma técnica chamada AM-FM (modulação de amplitude-modulação de frequência), que vibra a ponta AFM em duas frequências diferentes. Uma frequência gera imagens de superfície detalhadas, enquanto o outro mede a elasticidade e a viscosidade do materials. Esse método lhes deu uma visão precisa de como as paredes celulares da madeira foram alteradas após serem tratadas com minerais.
Além disso, a equipe realizou testes de nanoindentação dentro de um microscópio eletrônico de varredura (SEM), onde pequenas sondas foram pressionadas na madeira para medir sua resposta para forçar em diferentes áreas. Para completar suas análises, eles realizaram testes mecânicos padrão – como dobrar amostras de madeira não tratadas e tratadas – para avaliar sua força geral e como eles quebraram sob estresse.
“Olhando para a madeira em diferentes níveis-das estruturas microscópicas dentro das paredes celulares até a peça de madeira-conseguimos aprender mais sobre como melhorar quimicamente os materiais naturais para uso do mundo actual”, disse Merk.
Essa combinação de testes em pequena e larga escala ajudou os pesquisadores a entender como o tratamento afetou os detalhes finos dentro das paredes celulares e a força geral da madeira.
“Esta pesquisa marca um avanço significativo na ciência sustentável de materiais e um passo significativo em direção à construção e design ecológicos”, disse Stella Batalama, Ph.D., diretora da Faculdade de Engenharia e Ciência da Computação. “By reinforcing pure wooden by way of environmentally aware and cost-effective strategies, our researchers are laying the groundwork for a brand new technology of bio-based supplies which have the potential to interchange conventional supplies like metal and concrete in structural purposes. The affect of this work reaches far past the sector of engineering — it contributes to international efforts to scale back carbon emissions, lower down on waste, and embrace sustainable, nature-inspired options for all the things from buildings to large-scale infraestrutura. “
Os co-autores do estudo são Steven A. Soini, Ph.D. formado na FAU School of Engineering and Laptop Science e FAU Charles E. Schmidt School of Science; Inam Lalani, um Ph.D. estudante da Universidade de Miami; Matthew L. Maron, Ph.D., pesquisador de doutorado da Universidade de Miami; David Gonzalez, um estudante de graduação na FAU School of Engineering and Laptop Science; Hassan Mahfuz, Ph.D., professor do Departamento de Oceano e Engenharia Mecânica da FAU; e Neus Domingo-Marimon, Ph.D., cientista sênior da equipe de P&D, líder do grupo do grupo funcional da Microscopy Group, Oak Ridge Nationwide Laboratory.
