Matériaux naturels à base de cellulose comme la bagasse, fibres de bois, chitine, coton, la cellulose bactérienne et la lignocellulose fournissent une plate-forme respectueuse de l'environnement pour fabriquer rapidement des films minces sans utiliser des ressources fossiles limitées. La structure naturelle du bois est une alternative efficace pour des films cellulosiques plus évolutifs et mécaniquement robustes. Le bois peut être utilisé comme échafaudage pour construire des films minces selon une approche descendante dans un processus évolutif et rentable par rapport aux méthodes ascendantes. Le maintien de l'alignement des fibres de cellulose permettra des propriétés mécaniques robustes dans le matériau résultant. Le bois est aussi renouvelable, biodégradable et respectueux de l'environnement par rapport aux plastiques et au métal.

Pour construire le film ultramince d'une épaisseur aussi faible que 8,5 micromètres dans le présent travail, Gan et al. lignine partiellement éliminée (délignification) et hémicellulose du bois de balsa naturel. Ils ont généré un matériau très poreux, qui a retenu la plupart de la cellulose dans les parois cellulaires, suivi de l'augmentation de la densité du bois traité par pressage à chaud pour une réduction d'épaisseur de 97 pour cent. La structure de la paroi cellulaire du bois densément tassé combinée à des fibres de cellulose hautement alignées, contribué à une résistance à la traction supérieure et à un module de Young élevé. L'équipe de recherche a utilisé des méthodes de découpe industrielles pour développer un film de bois de balsa naturel d'un mètre de long en laboratoire afin de révéler le potentiel du matériau pour une fabrication à grande échelle via une approche descendante.

Propriétés mécaniques des films de bois

Gan et al. couper le bois naturel le long de sa direction longitudinale pour maintenir la structure du canal et observer les structures microscopiques en utilisant la microscopie électronique à balayage (MEB). Les nanofibres de cellulose dans le film de bois ultrafin sont restées fortement orientées mais plus densément stratifiées par rapport au bois naturel. L'analyse par diffraction des rayons X (XRD) a indiqué la rétention de l'alignement moléculaire et de la structure cristalline des nanofibres de cellulose, ce qui était important pour les propriétés mécaniques du matériau.

Pour comprendre les propriétés mécaniques du matériau, l'équipe de recherche a effectué des essais de traction mécanique. Le bois ultra-mince a montré un comportement mécanique très amélioré par rapport au bois naturel, avec une résistance à la rupture accrue jusqu'à 342 MPa et un module de Young de 43,65 GPa. Ces valeurs ont indiqué une amélioration de près de 20 fois la résistance à la traction et une amélioration de 35 fois du module de Young par rapport au bois naturel.

Les scientifiques voulaient comprendre les mécanismes sous-jacents. Pour ça, ils ont utilisé des observations SEM et ont démontré une microstructure poreuse avec de nombreux canaux de bois dans la tranche de bois naturel après des tests de traction. La caractéristique facilitait la traction du bois assemblé de manière lâche pendant la tension; expliquant la résistance à la rupture naturellement faible observée. En revanche, les parois cellulaires du bois à l'intérieur du film de bois synthétique ultrafin ont formé des liaisons hydrogène entre les nanofibres de cellulose fermement comprimées après densification ; nécessitant une énergie plus élevée pour être séparé.

La haute résistance à la traction et le module de Young du film ultramince ont également dépassé les biomatériaux plastiques et naturels typiques pour valider ses excellentes propriétés mécaniques. La flexibilité et la pliabilité exceptionnelles ont permis aux équipes de recherche de développer une variété de modèles d'origami. En revanche, le bois naturel fragile n'a pas démontré une telle malléabilité. La pliabilité a également mis en évidence les utilisations potentielles des films de bois ultrafins pour la photonique, capteurs acoustiques et dispositifs électroniques flexibles. Le module de Young élevé et la nature ultrafine du film de bois ont permis d'augmenter la fréquence de résonance et d'améliorer l'amplitude de déplacement de la vibration du diaphragme. Ces caractéristiques convenaient parfaitement aux applications du film de bois ultrafin en tant que diaphragme pour transducteurs acoustiques avec une large bande passante de fonctionnement, avec une sensibilité élevée pour les microphones et des niveaux de pression acoustique élevés pour les haut-parleurs.

La nouvelle construction a formé une alternative intéressante aux films polymères conventionnels, permettant au film de bois ultra-mince de devenir parfaitement adapté aux transducteurs acoustiques avec une large bande passante de fonctionnement, haute sensibilité et niveaux de pression acoustique élevés. Pour confirmer les propriétés d'augmentation de la fréquence de résonance et du déplacement, l'équipe a testé la réponse en fréquence du bois ultrafin par rapport à un film polymère conventionnel. Les résultats étaient hautement souhaitables en tant que transducteurs acoustiques haute performance.

Gan et al. a démontré des applications prometteuses des films de bois ultrafins en tant que transducteur acoustique pour assembler un haut-parleur miniature. Le prototype contenait un diaphragme en bois et un circuit imprimé avec un haut-parleur miniature, contenant une bobine de cuivre et un aimant permanent. La configuration a permis aux forces électromagnétiques d'agir sur la bobine et de faire vibrer le diaphragme d'avant en arrière. Ils ont traduit le signal électrique en un son audible, en raison de la pression de l'air causée par le diaphragme et enregistré le son audible du prototype de haut-parleur à l'aide d'un microphone et d'une onde sonore, qu'ils ont analysés à l'aide d'Adobe Audition CC. L'équipe de recherche a utilisé le haut-parleur pour diffuser un enregistrement de la marche du Matador d'Espagne. Ils espèrent encore améliorer la conception de la structure du diaphragme et des assemblages précis au sein du processus industriel existant. La technologie durable peut être traduite dans la fabrication de microphones, prothèses auditives et capteurs acoustiques.

De cette façon, Wentao Gan et ses collègues ont développé et démontré une stratégie descendante efficace pour concevoir un film de bois ultrafin de moins de 10 micromètres d'épaisseur après avoir soumis le bois naturel à une délignification et une densification. Ils ont observé une microstructure unique pour le film de bois ultrafin avec des parois cellulaires de bois entrelacées et des nanofibres de cellulose alignées, ce qui a contribué à des propriétés mécaniques exceptionnelles par rapport à une résistance à la traction et un module de Young améliorés. L'équipe de recherche a réalisé un transducteur acoustique haute performance avec une fréquence de résonance accrue et une amplitude de déplacement améliorée. Le prototype de haut-parleur vert a généré de la musique en raison des vibrations du diaphragme en bois ultra-mince avec des applications acoustiques étendues du matériau. L'équipe de recherche envisage que la technique ouvrira des fonctions et des applications supplémentaires pour des matériaux de film solides utilisant des ressources naturelles durables et biodégradables pour remplacer le plastique, métal et céramique.

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