Madera transparente e innovaciones neutras en carbono: el futuro de los materiales sostenibles

Versátil, neutra en carbono, renovable. No, este no es el eslogan de marketing para un nuevo material especial que acaba de ser desarrollado, sino tres de las características clave de un material muy familiar —la madera— un material que hasta el día de hoy nos sigue sorprendiendo con su adaptabilidad y continúa estando a la vanguardia del desarrollo de materiales. En este artículo, profundizaré en algunos de estos desarrollos emocionantes —desde la madera transparente hasta los compuestos de madera carbonizada.

Primero, un repaso rápido sobre la madera. La madera es un compuesto natural de fibras de celulosa incrustadas dentro de una matriz de lignina. La celulosa actúa como barras largas a lo largo del tronco y le da a la madera su resistencia a la tracción, mientras que la matriz de lignina le otorga a la madera su resistencia a la compresión.

Figura 1: Microestructura básica de la madera.

Este artículo se centra en tres ejemplos que mejoran las propiedades de la madera y amplían sus usos, a saber: madera densificada, madera transparente y nano-recubrimiento para madera. También exploraremos la madera como fuente de carbono de alta calidad con una estructura ventajosa.

Madera densificada

La madera es un material estructural ampliamente utilizado debido a su alto módulo específico, alta resistencia, bajo costo y naturaleza renovable [1]. Sin embargo, el uso más amplio hoy en día se ve impedido por la alta varianza en sus propiedades [1]. Esto se debe a la amplia gama de condiciones de crecimiento que un árbol puede experimentar (p. ej., tipo de suelo, disponibilidad de agua y nutrientes), lo que conduce a diferencias en estructuras y variaciones en la pendiente del grano, anchura de anillos y prevalencia de nudos [1][2].

Para superar estas variaciones naturales, científicos e ingenieros han desarrollado productos de madera de ingeniería, incluyendo madera laminada cruzada y madera laminada encolada (glulam) [1]. Estos han mejorado enormemente las propiedades de la madera y se han convertido en alternativas ambientalmente viables al acero y al concreto [2]. Sin embargo, los productos actuales de madera de ingeniería requieren grandes cantidades de adhesivos y sujetadores metálicos, lo que reduce su sostenibilidad y reciclabilidad, especialmente cuando se usan ciertos adhesivos ya que emiten gases tóxicos (p. ej., formaldehído y compuestos orgánicos volátiles) [1].

Como resultado, la investigación se ha centrado en una variedad de alternativas, y en particular, la madera densificada. Aquí es donde se aumenta la densidad de la madera:

• Densificación en masa: A lo largo del volumen de la madera [1] [2]
• Densificación superficial: Solo en la capa superficial de la madera [2]
• Densificación por infiltración: A lo largo de su volumen mediante impregnación de vacíos usando metales/azufre fundidos o polímeros [3]

Esta densidad aumentada conduce a propiedades mecánicas mejoradas (Tabla 1) y amplía los tipos de madera que pueden usarse, ya que las especies de madera de baja densidad ahora pueden procesarse en materiales estructurales viables [1]. Los tres métodos son prometedores.

Especie	Resistencia a la tracción longitudinal [MPa]
	Sin comprimir	Comprimido (80 %)
Roble (Quercus)	115,3	584,3
Álamo (Populus)	55,6	431,5
Cedro rojo occidental (Thuja plicata)	46,5	550,1
Pino blanco oriental (Pinus strobus)	70,2	536,9
Tilo (Tilia)	52,0	587,0

Tabla 1: Resistencia a la tracción longitudinal de la madera antes y después de la compresión.[1]

Uno de los factores limitantes para la densificación en masa son las paredes celulares de la madera (lignina), que dificultan la densificación y no tienen una contribución general significativa a las propiedades de la madera densificada [3]. Al mismo tiempo, hay investigación en curso sobre la descomposición de la madera hasta la nanoescala y el uso del material de nanocelulosa desliginificada, que tiene excelentes propiedades de materiales [3]. Pero la investigación ha luchado por escalar/ensamblar esto usando impresión 3D o 4D [3].

Una solución parcial es cambiar de un enfoque bottom-up a un enfoque top-down desliginificando y densificando completamente la madera. Efectivamente, esto añade un paso preliminar al proceso de densificación y ayuda a formar un nuevo material celulósico a granel con propiedades mecánicas mejoradas en comparación con la madera densificada (módulo elástico ≈ 40 GPa y resistencia a la tracción ≈ 270 MPa) [3]. Además, se puede formar fácilmente en formas complejas [3], abriendo aplicaciones más allá de las estructurales y quizás anunciando un nuevo tipo de biocompuestos reforzados con fibras.

Figura 2: Los materiales celulósicos a granel pueden moldearse fácilmente en una variedad de formas geométricas. [3]

Madera transparente

Como habrá notado, la madera en la figura 2 es casi translúcida. Resulta que la madera transparente es actualmente un área bajo investigación, y el primer paso en el proceso es la desliginificación. Esto es seguido por infiltración con un polímero con un índice de refracción coincidente, creando así una madera casi transparente [4] con cierta dispersión residual debido a algunos huecos que resultan de la contracción del polímero durante la polimerización [4]. Aun así, dado que la infiltración de polímero es una forma de densificación, esto conduce a madera fuerte y transparente. La infiltración de polímero también reduce la naturaleza anisotrópica de la madera hasta en un factor de cinco [5]. Esto se debe a que la dirección transversal débil de la madera se mejora con el polímero, suprimiendo la flexión de la pared celular, el mecanismo de fallo dominante en esta dirección [5].

Figura 3: Imágenes antes y después de una muestra de madera que ha sufrido desliginificación e infiltraciones de polímero.[4]

Además de ser un material fascinante, tiene una gran cantidad de usos potenciales, incluyendo techos transparentes, ventanas y cubiertas de paneles solares. Techos, secciones y ventanas transparentes pueden reemplazar al vidrio con sus propiedades mecánicas superiores y aislamiento térmico. El alto valor de neblina (medida de dispersión de luz) de la madera transparente también significa que proporciona una luz más suave y difusa que el vidrio tradicional. Esta difusión de luz la convierte también en una cubierta de panel solar muy efectiva, aumentando el camino de la luz en la celda solar y permitiendo más tiempo para extraer energía, lo que conduce a una mayor eficiencia [4].

Nano-recubrimiento para madera

Aquí, observamos casos más allá de alterar las propiedades de la madera, donde recubrirla con nanomateriales puede ayudar a superar algunas de las debilidades de la madera y mejorar sus propiedades mecánicas [6]. Estas debilidades incluyen inflamabilidad, fotodegradación y absorción de agua.

El nano-recubrimiento de la madera puede hacerse de dos formas: se añaden nanopartículas al recubrimiento para mejorar sus propiedades antes de la aplicación, o las nanopartículas se depositan directamente sobre la madera [6].

El segundo método se ha usado para reducir la inflamabilidad de la madera mediante depósitos de partículas de TiO2/ZnO. Primero se mezclan en una solución con etanol, y luego la madera cubierta con la solución se sella en un autoclave. Esto conduce a la formación de nanopartículas con tamaños que van de 80-200 nm en la superficie, aumentando el tiempo de ignición cuatro veces [7].

La fotodegradación es cuando la radiación UV absorbida conduce a foto-oxidación, resultando en decoloración superficial y reducción severa en propiedades mecánicas. Aquí, depositar una capa de ZnO genera una capa de nanopartículas que reduce el envejecimiento inducido por UV y el crecimiento de agentes fúngicos y microbianos. Esta resistencia al envejecimiento UV se debe a que el ZnO absorbe preferentemente la radiación UV y protege la madera subyacente [8]. Cuando se trata de mejorar propiedades mecánicas, se usa nanosílice. Las partículas de nanosílice poseen alta dureza y propiedades térmicas. Pueden reaccionar cuando se usan reacciones sol-gel con polímeros para formar estructuras de redes entrecruzadas que pueden aplicarse sobre maderas [6].

Compuestos/cerámicas de madera carbonizada

Esta aplicación utiliza arguiblemente el material sintético más antiguo, el carbón vegetal. El carbón vegetal es material celular carbonizado producido bajo pirólisis. Se usó en la creación de dibujos en cuevas [9]. Hoy en día, todavía usamos carbón vegetal para una variedad de aplicaciones, incluyendo biopatrón para cerámicas y compuestos avanzados y barbacoas. Carbonizar madera implica un proceso de dos pasos [9].

• El paso 1 es la descomposición de un material bioorgánico (a menudo madera pero también fibras naturales y papel) en una plantilla de carbono.
• El paso 2 es convertir la plantilla de carbono mediante transformación o sustitución en estructuras cerámicas o compuestas.

Ambos métodos requieren infiltraciones de la plantilla de carbono por un material elegido ya que esto es, por naturaleza, un medio poroso. El material debe estar en estado gaseoso, líquido o en forma nanoparticulada [9].
La transformación implica mezclar la plantilla de carbono con Si o Ti en diferentes formas, incluyendo gas, fundido o sol-gel [9][10]. La sustitución es cuando un óxido cerámico se deposita en la plantilla como sol-gel o nanopartícula y luego se sinteriza [9][10].

Ambas vías pueden generar materiales porosos o densos con una morfología microcelular basada en la de la madera inicial [10]. Esta forma de procesamiento abre una gran cantidad de opciones de diseño ya que la geometría del compuesto ahora puede alterarse fácilmente formando la plantilla de madera en la forma requerida —un proceso mucho más fácil que dar forma o mecanizar el producto final. También existe la opción de adaptar la morfología de los materiales mediante la elección de madera para la plantilla. Por ejemplo, la madera blanda da distribución de poros unimodal, mientras que ciertas maderas duras dan distribución de poros multimodal [10].

Figura 4: Imagen SEM de cristales de TiC que se han formado sobre un sustrato de madera carbonizada. [9]

Estos compuestos de madera carbonizada aún no han llegado al mercado masivo pero se están considerando para una gran cantidad de aplicaciones, donde su alta porosidad (filtros, intercambiadores de calor y estructuras de soporte de catalizador) y su moldeabilidad (tubos cerámicos y materiales resistentes al desgaste) podrían resultar ventajosos para muchas aplicaciones [9][10][11].

Fibras de carbono a partir de madera

Las fibras de carbono (FC) tienen una relación resistencia-peso excepcional, que, cuando se combina con plásticos reforzados, las hace compuestos ligeros extremadamente efectivos. Sin embargo, debido a su costo relativamente alto, se restringen principalmente a aplicaciones de alta gama, como palas de turbinas eólicas, autos de Fórmula 1 y piezas aeroespaciales. Aún no han entrado en uso generalizado en aplicaciones automotrices, sector energético y construcción [12], donde su aplicación podría resultar en mejoras significativas en eficiencia energética y reducciones de emisiones de CO2. Por ejemplo, una reducción del 10 % en el peso de un auto puede mejorar la eficiencia de combustible en alrededor del 7 % [12].

El alto costo de las FC se debe a que se fabrican predominantemente (>96 %) usando poliacrilonitrilo (PAN) basado en fósiles [12][13], un material relativamente costoso. Se procesa en fibras de carbono mediante hilado en solución, una serie de tratamientos térmicos (200-350 °C) y carbonización (> 1000 °C) [12]. Para superar este problema de precio, la investigación ha buscado encontrar materiales precursores de bajo costo, preferiblemente de una fuente renovable, evitando así el uso de combustibles fósiles.

Dos materiales han surgido como candidatos viables, lignina y celulosa [12][13].

La lignina se usa por su alto contenido de carbono, que permite un alto rendimiento de FC después de la conversión [12]. La celulosa se usa por su estructura molecular beneficiosa, que otorga la capacidad de generar FC con propiedades mecánicas equivalentes a las FC de PAN [13]. Ambos materiales, sin embargo, sufren de problemas, ya que la heterogeneidad estructural de la lignina significa que la FC producida tiene propiedades mecánicas inferiores, y el bajo contenido de carbono de la celulosa significa que tiene un bajo rendimiento de conversión (10-30 %) [12][13].

Como puede ver, la desventaja de uno es la ventaja del otro. Por lo tanto, los investigadores combinaron ambos materiales usando mezclas 70:30 de lignina kraft de madera blanda y pulpas kraft (celulosa) [12], que se convirtieron en filamentos mediante hilado en seco-húmedo y luego en FC mediante oxidación y carbonización (1000 °C) [13].

Propiedades	Materiales precursores
	PAN estándar e intermedio [14][15]	Celulosa [12]	Lignina [12]	Mezcla 70:30 lignina-celulosa [12]
Módulo de tracción (GPa)	200-400	500 >	30-60	76 - 77
Resistencia a la tracción (MPa)	4000 - 6000	2500 >	400-550	1070 - 1170
Rendimiento (peso%)	40-55	10-30	40-55	38-40

Tabla 2: Propiedades de FC formadas a partir de diferentes materiales precursores.[1]

De la tabla 2, vemos que esta mezcla mejora las propiedades mecánicas en comparación con la lignina y mejora el rendimiento en comparación con la celulosa. Sus propiedades mecánicas y rendimiento permanecen, sin embargo, por debajo de las FC basadas en PAN. Esto no es una barrera mayor ya que las aplicaciones previstas en energía, construcción y automotriz no requieren una resistencia a la tracción > 3 GPa ofrecida por FC basadas en PAN. Por lo tanto, la mezcla podría cumplir adecuadamente estos requisitos.
Aún hay algunos problemas antes de que esto entre en fabricación masiva, como la tensión dinámica durante la fabricación y el cambio de fabricación por lotes a continua. Todavía estamos a años de la producción a nivel comercial [13]. No obstante, la clave para la fibra de carbono de mercado masivo puede ser la madera.

Conclusión

Esperamos que este artículo haya demostrado que la madera aún tiene potencial sin explotar como material estructural/funcional y base para procesar en materiales novedosos. Este artículo cubre una parte de los avances actuales en el campo, y cualquiera de estos temas merece su propio artículo, incluyendo materiales de madera híbridos o nanorecubrimientos para madera. Para enfatizar aún más el potencial sin explotar de la madera, hay investigación activa de la Universidad de Kioto para enviar un satélite de madera al espacio. Esto es solo el comienzo en el intento de alcanzar el potencial completo de la madera.