Des scientifiques ont fabriqué du bois artificiel à partir de résines synthétiques qui, tout en imitant le bois naturel, présentent des propriétés améliorées pour une utilisation multifonctionnelle.
Le bois est un tissu fibreux organique présent dans les arbres, les buissons et les arbustes. On peut le considérer comme le matériau le plus utile et sans doute le plus polyvalent de la planète . Utilisé depuis des millénaires à de multiples fins, il est particulièrement apprécié pour sa faible densité et sa grande résistance. Sa structure cellulaire anisotrope unique (c'est-à-dire des propriétés différentes selon les directions) lui confère des propriétés mécaniques exceptionnelles : il est à la fois solide, rigide, léger et flexible. Le bois présente une résistance élevée à la compression et une faible résistance à la traction. Écologique et économique, il est extrêmement résistant, durable et pérenne, et peut servir à la construction de tout, de la fabrication du papier à la construction de maisons.
La nature nous offre déjà des matériaux exceptionnels comme le bois. Pourtant, elle reste une source d'inspiration constante pour concevoir et développer des matériaux biomimétiques performants, capables d'imiter les propriétés remarquables des biomatériaux naturels. La singularité du bois réside dans sa structure cellulaire anisotrope, sa faible densité et sa grande résistance. Récemment, des scientifiques ont tenté de concevoir des matériaux s'inspirant de ce concept afin de reproduire des propriétés du bois telles que sa résistance et sa légèreté. Cependant, la plupart de ces recherches ont abouti à des résultats insatisfaisants, les matériaux conçus présentant divers défauts. La fabrication de matériaux artificiels imitant le bois demeure un défi majeur pour les ingénieurs . Ce défi est d'autant plus important que la croissance du bois naturel prend des décennies, et que le temps et l'efficacité sont des critères essentiels pour la création d'un matériau similaire.
Bois bio-inspiré
Des chercheurs de l'Université des sciences et technologies de Chine ont mis au point une stratégie novatrice pour la fabrication à grande échelle d' un bois polymère artificiel bio-inspiré . Ce matériau artificiel possède une microstructure cellulaire semblable à celle du bois, une excellente contrôlabilité des microstructures et présente des propriétés telles que la légèreté et une résistance élevée, analogues aux propriétés mécaniques du bois naturel. Les chercheurs affirment que ce nouveau matériau est aussi résistant que le bois naturel, contrairement à tous les autres bois d'ingénierie étudiés jusqu'à présent.
Le bois naturel contient un polymère naturel appelé lignine, responsable de sa résistance. La lignine lie de petits cristallites de cellulose entre eux, formant une structure réticulaire qui confère au bois une grande solidité. Des chercheurs ont envisagé de reproduire la lignine à l'aide d'un polymère synthétique appelé résol, aux propriétés similaires. Ils ont réussi à transformer des résols classiques (résine phénolique et résine mélamine) en un matériau artificiel imitant le bois. Cette transformation a été réalisée en exploitant d'abord les propriétés d'auto-assemblage du polymère résol, puis en procédant à une thermopolymérisation. Pour obtenir l'auto-assemblage, des résines liquides thermosensibles ont été congelées de manière unidirectionnelle, puis polymérisées (réticulées) à des températures n'excédant pas 200 °C. Le bois reconstitué ainsi obtenu présente une structure cellulaire très proche de celle du bois naturel. Par la suite, une thermopolymérisation – un procédé consistant en une transformation chimique du résol induite par la température (ici, une polymérisation) – a été effectuée pour produire des bois polymères artificiels. La taille des pores et l'épaisseur des parois de ce matériau peuvent être contrôlées manuellement. De plus, la structure cristalline du résol peut être adaptée aux exigences de l'essence de bois. La couleur peut également être modifiée en ajoutant ou en remplaçant les cristallites qui lient le résol. Une fois compressé, ce bois d'ingénierie présente une résistance similaire à celle du bois naturel. L'approche décrite dans cette étude peut être qualifiée d'approche écologique pour la fabrication de bois artificiels, utilisant notamment des composés de nanomatériaux tels que les nanofibres de cellulose et l'oxyde de graphène.
Fait intéressant, le bois artificiel d'ingénierie affiche une meilleure résistance à la corrosion à l'eau et à l'acide par rapport au bois naturel tout en supposant que ses propriétés mécaniques ne diminuent pas. Cela signifie que le bois artificiel peut résister à des événements météorologiques extrêmes et serait mieux protégé. Il présente également une meilleure isolation thermique et une meilleure résistance au feu et ne prendrait pas feu facilement comme le fait le bois naturel, principalement parce que le résol est ignifuge. Cela peut être une aubaine pour des secteurs comme la fabrication et la construction, en particulier les bâtiments résidentiels qui prennent feu lorsqu'ils sont construits en bois naturel. Le matériau est parfaitement adapté aux environnements difficiles et difficiles car il est assez amélioré par rapport au bois naturel. Il est unique par rapport aux matériaux d'ingénierie standard tels que les céramiques cellulaires et les aérogels en ce qui concerne les propriétés de résistance et d'isolation thermique. Il est également plus efficace que la plupart des composites plastique-bois en raison de sa plus grande résistance. Le bois d'ingénierie possède de nombreuses propriétés qui le rendent plus efficace.
La stratégie novatrice décrite dans cette étude, publiée dans Science Advances, ouvre de nouvelles perspectives pour la fabrication et la conception de divers matériaux composites biomimétiques haute performance, présentant des avantages significatifs par rapport aux matériaux traditionnels. Ces nouveaux matériaux pourraient trouver de nombreuses applications dans divers domaines.
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Sources)
Zhi-Long Y et al. 2018 Bois polymères bio-inspirés. Science Advances. 4 (8).
https://doi.org/10.1126/sciadv.aat7223
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