Propriétés et applications innovantes du bois

Le bois est un matériau durable qui, moyennant une bonne gestion, constitue une source inépuisable de matières premières. Aujourd'hui, les applications du bois sont certes très diverses, mais elles sont prévisibles et axées sur les propriétés intrinsèques connues telles que la résistance, la légèreté et la facilité de traitement. De nouvelles techniques innovantes permettent de créer de nouvelles propriétés qui, jusqu'à récemment, étaient difficiles, voire impossibles à obtenir: découvrez le bois dur comme l'acier, déformable, transparent ou même rechargeable.

La demande de matériaux durs pour les applications structurelles est élevée. Les matériaux traditionnels tels que le métal ou la céramique sont souvent chers et non renouvelables, leur production coûte beaucoup d'énergie et a un impact négatif sur l'environnement. Les avantages du bois en tant que matériau de construction sont nombreux: il est renouvelable, léger, naturellement durable et solide, et son coût de cycle de vie est inférieur à celui de la plupart des autres matériaux. En même temps, il est moins déformable que le métal, le plastique ou le béton, et pas aussi solide et dur que d'autres matériaux de construction. En se concentrant sur les propriétés moins bonnes du bois, des chercheurs américains de l'université du Maryland (UMD) ont mis au point des innovations surprenantes, allant d'un matériau structurel déformable à un nouveau type de batterie basé sur des nanostructures microscopiques. De nouveaux développements ciblent ces points faibles du bois.

bois déformable

Tout d'abord, le manque de malléabilité du bois a été abordé, de sorte que le matériau rigide soit déformable sans qu'il soit nécessaire de couper ou de sculpter des formes complexes.

En utilisant un procédé de "chocs hydriques", les chercheurs ont pu modifier les propriétés du bois. Ils ont d'abord retiré la lignine du matériau, qui donne au bois sa rigidité et sa couleur brune, puis ils ont fait s'évaporer l'eau du bois. Le bois subit ensuite  un choc par la réintroduction d'eau, ce qui le fait gonfler à nouveau. Le résultat est un matériau facile à plier et à façonner, six fois plus résistant que le matériau de départ et comparable aux matériaux légers tels que les alliages d'aluminium. Le matériau pourrait même rebondir, ce qui lui permettrait d'être utilisé pour absorber les chocs.

Solide comme l'acier

Par ailleurs, les chercheurs ont mis au point un procédé simple, en deux parties, qui permet de rendre n'importe quelle essence de bois plus dure et plus résistante. Le résultat est, par exemple, un couteau de table en bois qui est aussi dur et trois fois plus tranchant qu'un couteau en acier inoxydable, ou des clous en bois qui peuvent être martelés à travers différentes couches de bois, tout comme leurs homologues en métal.

La technique permettant d'obtenir un matériau aussi dur repose sur la préservation du principal constituant du bois, dont le rapport résistance/densité est supérieur à celui des céramiques, des métaux ou des plastiques: la cellulose. Dans le même temps, les composants les plus faibles, comme l'hémicellulose et la lignine qui servent de liants, sont éliminés de la structure de la cellulose. Cela se fait en cuisant le bois dans des produits chimiques. Le résultat est un matériau flexible, qui peut être plié et déformé. Il est ensuite soumis à la chaleur (environ 65 °C) et à une pression très élevée, de sorte que les fibres de cellulose sont serrées les unes contre les autres, que les éventuels défauts tels que les creux et les bosses sont écrasés et qu'un matériau très dur est créé.

Le bois dur peut être traité de cette manière, ce qui le rend encore plus solide et plus dur – comparable aux alliages de titane ou aux fibres de carbone, mais plus léger et moins cher. La résistance à la traction du matériau serait le double de celle de l'acier, tout en étant cinq fois plus léger et deux fois moins cher.

Enfin, le bois est recouvert d'un revêtement à base d'huile minérale pour éviter les dommages causés par l'eau, ce qui permet d'utiliser des ustensiles fabriqués à partir de ce matériau, tels que des couverts, comme alternative durable, lavable et réutilisable aux ustensiles jetables. Les clous fabriqués dans ce matériau sont tout aussi efficaces que leurs homologues en métal et sont également inoxydables. Ce matériau, qui est également ignifuge et résistant aux parasites tels que les termites, offre également un potentiel pour les planchers en bois dur ou d'autres applications nécessitant du bois très dur. Les essences de bois plus tendres provenant d'espèces d'arbres à croissance rapide, comme le pin ou le balsa, pourraient ainsi offrir une alternative plus respectueuse de l'environnement au bois provenant d'espèces d'arbres à croissance plus lente, comme le teck, pour une utilisation dans les meubles ou les bâtiments.

Ce matériau à la fois solide et dur pourrait ainsi offrir une alternative de haute qualité, renouvelable et peu coûteuse (tant en termes de produit que de production) aux matériaux durs classiques, tels que le métal ou le plastique, pour une variété d'applications.

Batteries de type papier

Un très petit composant du bois est constitué de nanofibres de cellulose, des tubes filiformes qui sont l'un des principaux constituants du papier et qui pourraient ouvrir la voie aux batteries à l'état solide. De telles batteries utilisent des solutions d'électrolyte solide plutôt que liquide, ce qui permet d'obtenir une densité énergétique plus élevée et une plus grande sécurité.

Les chercheurs ont trempé les fibres dans une solution cuivre-alcalin, puis ont introduit des ions de lithium dans le matériau en l'immergeant dans un bain d'électrolyte. Le résultat est un conducteur ionique efficace qui peut facilement être augmenté ou diminué en fonction des besoins de stockage d'énergie. Et ce, sans le risque d'incendie ou d'explosion que présentent les batteries lithium-ion traditionnelles. Les batteries utilisant ce matériau sont bon marché, faciles à assembler et respectueuses de l'environnement.

De nouvelles possibilités non conventionnelles

Autres développements sur lesquels les chercheurs travaillent:

• Un bois presque transparent a été obtenu en remplaçant la lignine du bois par de l'époxy transparent. Le matériau de construction ainsi obtenu conserve son grain, laisse passer la lumière comme du verre dépoli et présente des propriétés d'isolation améliorées.
• En donnant au bois de tilleul américain un traitement spécial, il peut être utilisé pour dessaler l'eau de mer en eau potable: il flotte dans un évaporateur alimenté par l'énergie solaire et absorbe l'eau salée grâce à sa structure vasculaire.
• Un bois de refroidissement d'un blanc pur dans le spectre de la lumière visuelle peut empêcher l'absorption de la chaleur solaire par les toits des bâtiments, mais peut tout aussi bien être d'un noir pur dans le spectre infrarouge invisible pour renvoyer la chaleur dans l'espace.

Tous ces développements innovants sont préparés à la commercialisation par la spin-off InventWood de l'UMD.