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03 . 02 . 23
Los prodigiosos magos de la madera
La ingeniería química puede convertir la madera en un material sostenible con múltiples utilidades.
Liangbing Hu puede hacer que la madera rebote como una pelota de ping-pong. También puede aplastarla como un juguete de goma o hacerla más fuerte que el acero. Como explica desde su laboratorio en la Universidad de Maryland, EE. UU., es química simple: usar hidróxido de sodio y sulfito de sodio con un poco de calor y presión. “Puedes hacer todas estas cosas”, dice. “La madera es un nuevo metal, un nuevo plástico, un nuevo hormigón. Todo lo que necesitas saber es cómo jugar con ella mediante ingeniería química”.
Son trabajos como el de Hu los que están revolucionando la forma en que vemos uno de nuestros recursos más abundantes y renovables, y que además están marcando el comienzo de una nueva era de la tecnología de la madera.
La química de la madera impulsa la innovación en tecnología de materiales
Ha tardado mucho en llegar. Durante el siglo XX, la investigación de la madera se quedó estancada, dice Roger Rowell, profesor de la Universidad de Wisconsin-Madison, EE. UU. “Ya se ha hecho mucha química de la madera antes”, comenta.
Actualmente, la mayoría de los intentos de innovar con la madera han consistido en transponerla a granel a las tecnologías existentes. A finales de 2020, Takao Doi, profesor de la Universidad de Kyoto en Japón y exastronauta, comenzó a desarrollar la madera como material alternativo para construir satélites. Esto, argumenta Doi, no solo ahorraría costes en comparación con las estructuras de aluminio y acero que ya están en uso, sino que también se quemaría en órbita una vez que terminara su vida útil sin liberar alúmina o pequeñas piezas de metal como ‘basura espacial’ en órbita en la parte superior de la atmósfera. El concepto de satélite de madera de Doi, el WISA Woodsat, se lanzará a finales de este año.
Proyecto de satélite espacial emplea madera contrachapada para su estructura.
La clave para entender la madera, dice Rowell, es que no es un material. “Si pides acero inoxidable de grado 404, es lo mismo en todo el mundo. Si pides madera, cada pieza es diferente. Es un compuesto de biopolímero tridimensional. No se puede investigar la madera, hay que observar la química de los polímeros, la bioquímica, la química de los carbohidratos, la química de la lignina, el movimiento de la humedad, la hinchazón, el encogimiento y la descomposición. Pero para entender la madera, para explicar sus propiedades, hay que mirarla de adentro hacia afuera“.
La química de la madera varía según el tipo de árbol, pero, en términos generales, es relativamente sencilla. La madera es en gran parte celulosa y hemicelulosa, así como ligninas, una serie de polímeros orgánicos complejos.
Nuevos avances en tecnología de la madera
No hay nada anticuado en los enfoques que está adoptando Hu. Inicialmente, su investigación se centró en los nanotubos de carbono, antes de darse cuenta de que los mismos principios podían aplicarse a la madera. “Es un nanocompuesto”, explica Hu. “Si miras la madera como un todo, necesitarías un doctorado en ciencias de la madera. No estoy interesado en esas complicaciones. Mi objetivo es amplificar el rendimiento de las nanofibras dentro de este gran compuesto poroso”.
En lugar de preocuparse por lo que está haciendo toda la estructura, al centrarse en la química, Hu ha podido llenar su laboratorio con creaciones asombrosas. “Hay dos categorías principales”, comenta: “hacer la madera lo más densa posible, lo que la hace fuerte… o al revés, hacerla lo más porosa posible, lo que da como resultado un buen material aislante y también permite ajustar las propiedades ópticas… puedes hacer casi cualquier cosa”.
Si densifica la madera, no solo es más fuerte, sino que tardará mucho más en degradarse.
La súper madera podría reemplazar al acero
“Esta súper madera en particular tiene una resistencia incluso mejor que el acero, pero es seis veces más ligera”, dice Hu. “¡Si tratas de romperla, fracasaras!”
La madera podría ser un competidor del acero o incluso de las aleaciones de titanio, ya que es muy fuerte y duradera. También es comparable a la fibra de carbono, pero mucho menos costosa. Una combinación de propiedades que generalmente no se encuentra en la naturaleza.
En 2018, Hu publicó un artículo que mostraba la posibilidad de la madera como una armadura ligera y de bajo coste. Después de disparar una bala a su madera densificada, el equipo descubrió que no solo resultó en un agujero de proyectil mucho más pequeño que el que había visto en la madera natural, sino que también pudo absorber 10 veces la cantidad de energía cinética. Estas propiedades a prueba de balas aumentaron al añadir capas adicionales con orientaciones ligeramente diferentes.
La madera elástica: una innovación tecnológica sostenible impulsada por la química
Tras estudiar la madera blanda, hervirla, después sumergirla en la misma solución, congelarla y luego liofilizarla, la lignina y la hemicelulosa en las paredes celulares se vuelven más delgadas, y los enlaces carbonilo y carbono-oxígeno se estiran, pero no se destruyen. En cambio, liberan fibrillas de celulosa, formando un gel entre las células debilitadas de la madera que se han transformado en una red de panal.
El resultado es una madera blanda que rebota y no muestra signos de fatiga incluso después de haber sido comprimida en un 70 % más de 10.000 veces. Además, las nanofibrillas crean canales que permiten la conductividad iónica. En 2021, el equipo de Hu sumergió las fibrillas en una solución alcalina de cobre y luego agregó iones de litio sumergiéndolas en un electrolito. El resultado, cuando se convirtió en una batería, funcionó de 10 a 100 veces mejor que los electrolitos a base de polímeros. Además, las nanofibrillas crean canales que permiten la conductividad iónica.
Como mencionó Hu, las propiedades ópticas de la madera también se pueden ajustar, simplemente alterando las paredes de las celdas. “La madera parece ser blanca, pero en el infrarrojo, es completamente negra”, dice. “Si lo pones en un techo, podrías enfriar tu casa hasta 10°C. Es una mejor forma de aislamiento”. El trabajo de Hu incluso ha desarrollado madera transparente, lo que permite que pase alrededor del 92% de la luz.
Madera elástica fabricada en el laboratorio de Liangbing Hu en la Universidad de Maryland.
La ciencia de la madera todavía tiene obstáculos que despejar. Sin embargo, una vez que se resuelvan estos problemas, parece que la madera, gracias a una química bastante simple y una ingeniería básica, está lista para cautivarnos de formas que nunca consideramos posibles. “El mundo va a necesitar más materiales”, dice Hu. “La buena noticia es que los árboles, la madera, son materiales distribuidos globalmente: puede usar recursos locales y procesarse localmente, por lo tanto podemos comenzar a abordar la escasez global de materiales en nuestra cadena de suministro“.
“Las maderas blandas como el pino, que crecen rápido y son más respetuosas con el medio ambiente, podrían reemplazar a las maderas de crecimiento más lento pero más densas como la teca, en la fabricación de muebles o en la construcción de edificios”.
A pesar de esta promesa, el desafío que enfrenta Hu es garantizar que estas maravillas se puedan aplicar a escala industrial. “Elegimos estos productos químicos porque son escalables. Ya existe una infraestructura. El problema, aún por resolver, es cómo los químicos se difunden en la estructura”. Esa es una barrera importante en este momento.
Tenemos que empezar a darnos cuenta que la madera es un material realmente poderoso, que nuestros futuros materiales y productos químicos provendrán de ella.
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