Una imagen de microct que muestra la distribución del mineral de hierro en la pared de las células de madera (en turquesa). Crédito: Florida Atlantic University
Al infundir el roble rojo con ferrihidrita utilizando un proceso simple y de bajo costo, los investigadores fortalecieron la madera a nivel celular sin agregar peso o alterar la flexibilidad, ofreciendo una alternativa duradera y ecológica al acero y el concreto. La madera tratada conserva su comportamiento natural, pero gana durabilidad interna, lo que aprovecha el camino para alternativas más verdes en la construcción, muebles y pisos.
Los científicos e ingenieros están desarrollando materiales de alto rendimiento a partir de fuentes ecológicas como los desechos vegetales. Un componente clave, la lignocelulosa, que pasa en la madera y muchas plantas, puede ser fácilmente recolectado y modificado químicamente para mejorar sus propiedades.
Al utilizar este tipo de cambios químicos, los investigadores están creando materiales avanzados y nuevas formas de diseñar y construir de manera sostenible. Con aproximadamente 181.5 mil millones de toneladas de madera producidas a nivel mundial cada año, es una de las fuentes de materiales renovables más grandes.
Investigadores de la Facultad de Ingeniería e Informática de la Florida Atlantic University, y los colaboradores de la Universidad de Miami y el Laboratorio Nacional de Oak Ridge, querían averiguar si agregar minerales extremadamente duros a la nanoescala podría fortalecer las paredes de las células de madera, sin hacer que la madera sea pesada, costosa o mala para el medio ambiente. Pocos estudios han investigado cómo se desempeña la madera tratada a diferentes escalas, y ninguno ha fortalecido con éxito piezas de madera enteras al incorporar minerales inorgánicos directamente en las paredes celulares.
El equipo de investigación se centró en un tipo especial de madera dura conocida como madera porqueo de anillo, que proviene de árboles de hoja ancha como roble, arce, cereza y nogal. Estos árboles cuentan con grandes vasos en forma de anillo en la madera que transportan agua desde las raíces hasta las hojas.
Para el estudio, los investigadores usaron roble rojo, una madera dura común en América del Norte, e introdujeron un compuesto de hierro en la madera a través de una reacción química simple. Al mezclar nitrato férrico con hidróxido de potasio, crearon ferrihidrita, un mineral de óxido de hierro que se encuentra comúnmente en el suelo y el agua.
Los resultados del estudio, publicado en la revista ACS Apliced Materials and Interfaces, revelaron que un método químico simple y rentable que usa un mineral seguro llamado oxihidróxido de hierro nanocristalino puede fortalecer las pequeñas paredes celulares dentro de la madera, al tiempo que agrega solo una pequeña cantidad de peso adicional.
Un instrumento de microscopía de fuerza atómica biomodal (AFM) utilizado por los investigadores en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Crédito: Steven A. Soini, Florida Atlantic University
Aunque la estructura interna se volvió más duradera, el comportamiento general de la madera, como cómo se dobla o se rompe, aumentó en gran medida sin cambios. Esto es probable porque el tratamiento debilitó las conexiones entre las células de madera individuales, lo que afecta cómo el material se mantiene unido a mayor escala.
Los hallazgos sugieren que, con el tratamiento químico adecuado, es posible mejorar la resistencia de la madera y otros materiales a base de plantas sin aumentar su peso o dañar el medio ambiente. Estos materiales biológicos podrían algún día reemplazar materiales de construcción tradicionales como acero y concreto en aplicaciones como edificios altos, puentes, muebles y pisos.
“La madera, como muchos materiales naturales, tiene una estructura compleja con diferentes capas y características a escalas variables. Para comprender verdaderamente cómo las cargas de madera y eventualmente falla, es esencial examinarla a través de estos diferentes niveles”, dijo Vivian Merk, Ph.D., Profesor Senior de Autor y Profesor Asistente en el Departamento de Fau de la Ingeniería Mecánica y Mecánica, el Departamento de Ingeniería Biomética de Fau y el Departamento de Fau de Fau de Chemistry y Biochemistry de Fau E. de ciencia.
“Para probar nuestra hipótesis, que agregar pequeños cristales minerales a las paredes celulares los fortalecería, empleamos varios tipos de pruebas mecánicas a escala nanoescala y macroscópica”.
Para el estudio, los investigadores utilizaron herramientas avanzadas como la microscopía de fuerza atómica (AFM) para examinar la madera a una escala muy pequeña, lo que les permite medir propiedades como la rigidez y la elasticidad. Específicamente, emplearon una técnica llamada AM-FM (modulación de amplitud-modulación de frecuencia), que vibra la punta AFM a dos frecuencias diferentes. Una frecuencia genera imágenes de superficie detalladas, mientras que la otra mide la elasticidad y la pegajosidad del material. Este método les dio una visión precisa de cómo se alteraron las paredes celulares de la madera después de ser tratadas con minerales.
Además, el equipo realizó pruebas de nanoindentación dentro de un microscopio electrónico de barrido (SEM), donde se presionaron pequeñas sondas en la madera para medir su respuesta a la fuerza en diferentes áreas. Para completar su análisis, realizaron pruebas mecánicas estándar, como doblar muestras de madera no tratadas y tratadas, para evaluar su fuerza general y cómo se rompieron bajo estrés.
Una imagen de microct que muestra la distribución del mineral de hierro en la pared de las células de madera (en turquesa). Crédito: Florida Atlantic University
“Al observar la madera en diferentes niveles, desde las estructuras microscópicas dentro de las paredes celulares hasta la pieza completa de madera, pudimos aprender más sobre cómo mejorar químicamente los materiales naturales para el uso del mundo real”, dijo Merk.
Esta combinación de pruebas de pequeña y gran escala ayudó a los investigadores a comprender cómo el tratamiento afectó tanto los detalles finos dentro de las paredes celulares como la fuerza general de la madera.
“Esta investigación marca un avance significativo en la ciencia de los materiales sostenibles y un paso significativo hacia la construcción y el diseño ecológico”, dijo Stella Batalama, Ph.D., decana de la Facultad de Ingeniería e Informática.
“Al reforzar la madera natural a través de métodos ambientalmente conscientes y rentables, nuestros investigadores están sentando las bases para una nueva generación de materiales biológicos que tienen el potencial de reemplazar materiales tradicionales como el acero y el concreto en aplicaciones estructurales.
“El impacto de este trabajo llega mucho más allá del campo de la ingeniería: contribuye a los esfuerzos globales para reducir las emisiones de carbono, reducir los desechos y adoptar soluciones sostenibles inspiradas en la naturaleza para todo, desde edificios hasta infraestructura a gran escala”.
Más información: Steven A. Soini et al, Caracterización mecánica multiescala de paredes de células de madera reforzadas con minerales, ACS Aplicada Materiales e interfaces (2025). Doi: 10.1021/acsami.4c22384
Proporcionado por la Universidad de Florida Atlantic
Cita: los ingenieros fortifican madera con nano-hierro ecológico (2025, 28 de abril) recuperado el 28 de abril de 2025 de https://techxplore.com/news/2025-04-fortify-wood-eco-friendly-nano.html
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