Using Cellulose Nanofibers as the Sole Binder for Cement-Free Construction Materials
Questo studio dimostra la fattibilità dell'uso di nanofibre di cellulosa come unico legante per compositi di sabbia privi di cemento, i quali esibiscono resistenze alla compressione paragonabili a quelle della terra battuta che sono pienamente reversibili con l'umidificazione e l'essiccazione, offrendo un percorso promettente per materiali da costruzione non strutturali leggeri, a basse emissioni di carbonio e riciclabili.
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Il calcestruzzo è il materiale da costruzione più utilizzato sulla Terra, poiché costituisce lo scheletro delle nostre città, strade e ponti. Eppure, produrlo comporta un prezzo pesante per il pianeta. Il processo di creazione della pasta appiccicosa che tiene insieme il calcestruzzo, nota come cemento, rilascia enormi quantità di anidride carbonica. Ciò accade perché gli ingredienti grezzi devono essere riscaldati a temperature estreme e la reazione chimica stessa rilascia gas. Mentre il mondo costruisce di più, la domanda di questo materiale è destinata a crescere rapidamente, allargando il divario tra le necessità dell'edilizia e l'obiettivo di un'atmosfera più pulita. Per decenni, gli scienziati hanno cercato modi per sostituire il cemento con qualcosa che cresca dalla terra piuttosto che essere estratto e bruciato, ma trovare un sostituto abbastanza forte da sostenere un edificio è rimasto elusivo.
In un nuovo studio, i ricercatori hanno compiuto un passo audace verso la risoluzione di questo problema, dimostrando che le fibre di legno possono sostituire completamente il cemento in una miscela con la sabbia. Non hanno solo aggiunto un po' di legno al calcestruzzo; hanno rimosso completamente il cemento e hanno usato solo nanofibre di cellulosa per legare la sabbia. Queste fibre sono filamenti minuscoli estratti dal legno, così piccoli da essere invisibili a occhio nudo, eppure possiedono una capacità naturale di aderire strettamente tra loro. I ricercatori hanno mescolato queste fibre con la sabbia in varie proporzioni, hanno asciugato la miscela e hanno testato quanto bene i blocchi risultanti potessero sostenere il peso. Il loro lavoro dimostra che è possibile creare materiali solidi senza alcun cemento, aprendo la strada verso materiali non strutturali leggeri, a basse emissioni di carbonio e potenzialmente riciclabili.
Il team ha iniziato preparando dodici miscele diverse, cambiando la quantità di fibra di legno e il tipo di sabbia per vedere quale combinazione funzionasse meglio. Hanno scoperto che era necessaria una quantità minima di fibra per tenere insieme i granelli di sabbia; se ce n'era troppo poca, la miscela si sbriciolava quando si asciugava. Una volta superata questa soglia, le miscele formavano blocchi solidi che potevano essere maneggiati e testati. I blocchi più forti, che contenevano la maggiore quantità di fibra, potevano resistere a una pressione di quasi 3,73 megapascal. Sebbene questo non sia sufficiente a sostenere il peso pesante di un grattacielo, è paragonabile alla terra cruda o all'adobe, materiali che sono stati utilizzati per millenni per costruire muri e case. Ciò suggerisce che il nuovo materiale è ben adatto ad applicazioni non strutturali, come blocchi per bordure da giardino, piastrelle per sentieri o partizioni interne.
Una scoperta chiave nello studio è stata la comprensione di come questi blocchi si tengano insieme. A differenza del cemento, che indurisce attraverso una reazione chimica irreversibile che crea una struttura permanente simile alla pietra, le fibre di legno si legano attraverso forze fisiche chiamate legami a idrogeno. Questi sono attrazioni deboli tra le parti delle molecole della fibra che amano l'acqua. Poiché questi legami dipendono dal fatto che le fibre siano vicine e asciutte, i blocchi perdono quasi tutta la loro forza quando si bagnano. Quando i ricercatori hanno immerso i blocchi in acqua, questi sono diventati morbidi e deboli, perdendo circa il 95 percento della loro capacità di sostenere il peso. Tuttavia, il materiale ha mostrato una straordinaria capacità di guarire se stesso. Quando i blocchi bagnati venivano asciugati nuovamente, non solo recuperavano la loro forza originale, ma diventavano leggermente più forti di prima. Questo ciclo di bagnatura e asciugatura permette alle fibre di riorganizzarsi in una rete più stretta ed efficiente, dimostrando che il processo di legame è reversibile e fisico anziché chimico.
I ricercatori hanno anche osservato che il modo in cui i blocchi venivano realizzati influenzava la loro forza. Quando la miscela veniva pressata per formare un blocco, le minuscole fibre si allineavano in una direzione specifica, proprio come una pila di matite distese su un tavolo. Questo creava un materiale che era più forte quando spinto in una direzione rispetto a un'altra. Inoltre, hanno scoperto che la densità del blocco non prediceva la sua forza nel modo in cui accade per il calceste tradizionale. In questo nuovo materiale, avere più fibra significava che il blocco era più leggero ma anche più forte, perché le fibre extra creavano più legami tra i granelli di sabbia. Lo studio ha anche mostrato che trattare la superficie dei blocchi con un rivestimento idrorepellente poteva ridurre significativamente la quantità di acqua assorbita, offrendo una potenziale soluzione alla loro debolezza in condizioni umide.
Osservando la struttura microscopica dei blocchi, i ricercatori hanno visto che le fibre agivano come una rete. Nelle miscele con meno fibra, i filamenti creavano semplicemente dei ponti tra i singoli granelli di sabbia. Nelle miscele con più fibra, i filamenti formavano una pellicola continua e densa che avvolgeva completamente la sabbia, creando una matrice solida. Questa transizione da pochi ponti di collegamento a un rivestimento completo spiegava perché il materiale diventasse molto più forte all'aumentare del contenuto di fibra. Lo studio ha concluso che, sebbene questo materiale non possa ancora sostituire il calcestruzzo nella costruzione di edifici alti, offre un'alternativa sostenibile e a basse emissioni di carbonio per molte necessità edilizie quotidiane. Rappresenta un cambiamento di mentalità, mostrando che il futuro dell'edilizia potrebbe non richiedere la chimica pesante e ad alto impatto di carbonio del passato, ma potrebbe invece fare affidamento sul semplice e rinnovabile potere delle fibre di legno per tenere insieme il mondo.
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