In un recente rapporto su Comunicazioni sulla natura , Wentao Gan e un team di ricercatori presso i dipartimenti di scienza dei materiali e ingegneria negli Stati Uniti hanno dettagliato l'uso di una pellicola ultrasottile di legno naturale per creare un altoparlante. Il costrutto ha mostrato eccellenti proprietà meccaniche tra cui un'elevata resistenza alla trazione e un aumento del modulo di Young. Le proprietà dello spessore ultrasottile e dell'eccezionale resistenza meccanica hanno consentito eccellenti proprietà acustiche con una frequenza di risonanza più elevata e una maggiore ampiezza di spostamento rispetto a un diaframma in polipropilene commerciale in un altoparlante audio. Come prova del concetto, Gan et al. usava direttamente la pellicola di legno ultrasottile come diaframma in un vero altoparlante per emettere musica. Le superfici con eccellenti proprietà meccaniche e prestazioni acustiche erano un candidato promettente per costruire altoparlanti acustici di nuova generazione.

I film sottili nella scala da micron a nanometri di spessore hanno applicazioni multifunzionali nelle celle solari, imballaggio alimentare, trattamento delle acque, elettronica personale e come sensori acustici. Le membrane acustiche sono tipicamente molto sottili (scala micron) e meccanicamente robuste con un alto modulo per consentire una risposta in frequenza altamente sensibile e un'elevata ampiezza vibrazionale. Fisici e ingegneri hanno dedicato enormi sforzi negli ultimi decenni per sviluppare una varietà di materiali acustici a film sottile a base di plastica, metallo, ceramica e carbonio per migliorare la qualità del suono.

I film sottili di plastica sono usati ubiquitariamente negli altoparlanti commerciali a causa del basso costo e della facilità di fabbricazione, però, impongono un enorme impatto ambientale a causa di un degrado inefficace. Metallo, i materiali ceramici e a base di carbonio dimostrano anche un modulo più elevato rispetto al film plastico per migliorare la risposta in frequenza della membrana acustica. Questi componenti generalmente costano di più e richiedono complessi, processi produttivi che consumano energia. Di conseguenza, è auspicabile sviluppare un biodegradabile, film sottile acustico per applicazioni ecologiche ed economiche.

Morfologia e caratterizzazione chimica dei film di legno

Materiali naturali a base di cellulosa come bagassa, fibre di legno, chitina, cotone, la cellulosa batterica e la lignocellulosa forniscono una piattaforma ecologica per produrre rapidamente film sottili senza utilizzare risorse fossili limitate. La struttura naturale del legno è un'alternativa efficace per film di cellulosa più scalabili e meccanicamente robusti. Il legno può essere utilizzato come impalcatura per costruire film sottili con un approccio dall'alto verso il basso in un processo scalabile ed economico rispetto ai metodi dal basso verso l'alto. Il mantenimento dell'allineamento delle fibre di cellulosa consentirà proprietà meccaniche robuste nel materiale risultante. Il legno è anche rinnovabile, biodegradabile ed ecosostenibile rispetto a plastica e metallo.

Per costruire il film ultrasottile con uno spessore di appena 8,5 micrometri nel presente lavoro, Gan et al. lignina parzialmente rimossa (delignificazione) ed emicellulosa dal legno di balsa naturale. Hanno generato un materiale altamente poroso, che tratteneva la maggior parte della cellulosa nelle pareti cellulari, seguito dall'aumento della densità del legno trattato mediante pressatura a caldo per una riduzione dello spessore del 97 percento. La struttura della parete cellulare in legno densamente compattata combinata con fibre di cellulosa altamente allineate, contribuito a una resistenza alla trazione superiore e ad un alto modulo di Young. Il team di ricerca ha utilizzato metodi di taglio industriali per sviluppare una pellicola di legno di balsa naturale lunga un metro in laboratorio per rivelare il potenziale del materiale per la produzione su larga scala tramite un approccio dall'alto verso il basso.

Proprietà meccaniche dei film di legno

Gan et al. tagliare il legno naturale lungo la sua direzione longitudinale per mantenere la struttura del canale e osservare le strutture microscopiche mediante microscopia elettronica a scansione (SEM). Le nanofibre di cellulosa nel film di legno ultrasottile sono rimaste altamente orientate ma più densamente laminate rispetto al legno naturale. L'analisi di diffrazione dei raggi X (XRD) ha indicato il mantenimento dell'allineamento molecolare e della struttura cristallina delle nanofibre di cellulosa, importante per le proprietà meccaniche del materiale.

Per comprendere le proprietà meccaniche del materiale, il team di ricerca ha condotto prove di trazione meccanica. Il legno ultrasottile ha mostrato un comportamento meccanico notevolmente migliorato rispetto al legno naturale, con maggiore resistenza alla frattura fino a 342 MPa e modulo di Young di 43,65 GPa. Questi valori hanno indicato un miglioramento di quasi 20 volte nella resistenza alla trazione e un miglioramento di 35 volte nel modulo di Young rispetto al legno naturale.

Gli scienziati erano ansiosi di capire i meccanismi sottostanti. Per questo, hanno usato osservazioni SEM e hanno dimostrato una microstruttura porosa con numerosi canali di legno nella fetta di legno naturale dopo prove di trazione. La caratteristica ha reso più facile tirare il legno assemblato liberamente durante la tensione; spiegando la resistenza alla frattura naturalmente bassa osservata. In contrasto, le pareti cellulari del legno all'interno del film di legno ultrasottile sintetico hanno formato legami idrogeno tra le nanofibre di cellulosa saldamente compresse dopo l'addensamento; richiedono una maggiore energia per essere smontati.

Anche l'elevata resistenza alla trazione e il modulo di Young del film ultrasottile hanno superato i tipici biomateriali plastici e naturali per convalidare le sue eccellenti proprietà meccaniche. L'eccezionale flessibilità e piegabilità ha permesso ai team di ricerca di sviluppare una varietà di disegni di origami. In contrasto, il fragile legno naturale non mostrava tale malleabilità. La piegabilità ha anche evidenziato i potenziali usi dei film di legno ultrasottili per la fotonica, sensori acustici e dispositivi elettronici flessibili. L'alto modulo di Young e la natura ultrasottile della pellicola di legno hanno contribuito ad aumentare la frequenza di risonanza e ad aumentare l'ampiezza di spostamento della vibrazione del diaframma. Queste caratteristiche si adattano perfettamente alle applicazioni del film di legno ultrasottile come diaframma per trasduttori acustici con un'ampia larghezza di banda operativa, con elevata sensibilità per i microfoni e alti livelli di pressione sonora per gli altoparlanti.

Il nuovo costrutto ha costituito un'interessante alternativa ai film polimerici convenzionali, consentendo al film di legno ultrasottile di diventare altamente adatto per trasduttori acustici con un'ampia larghezza di banda operativa, alta sensibilità e alti livelli di pressione sonora. Per confermare le proprietà di maggiore frequenza di risonanza e spostamento, il team ha testato la risposta in frequenza del legno ultrasottile rispetto a un film polimerico convenzionale. I risultati erano altamente desiderabili come trasduttori acustici ad alte prestazioni.

Gan et al. hanno dimostrato applicazioni promettenti delle pellicole di legno ultrasottili come trasduttore acustico per assemblare un altoparlante in miniatura. Il prototipo conteneva un diaframma di legno e un circuito con un altoparlante in miniatura, contenente una bobina di rame e un magnete permanente. La configurazione ha facilitato l'azione delle forze elettromagnetiche sulla bobina e la vibrazione del diaframma avanti e indietro. Hanno tradotto il segnale elettrico in un suono udibile, a causa della pressione dell'aria causata dal diaframma e ha registrato il suono udibile del prototipo dell'altoparlante utilizzando un microfono e un'onda sonora, che hanno analizzato utilizzando Adobe Audition CC. Il team di ricerca ha utilizzato l'altoparlante per riprodurre una registrazione della Marcia Matador spagnola. Si aspettano di migliorare ulteriormente il design della struttura del diaframma e gli assemblaggi precisi all'interno del processo industriale esistente. La tecnologia sostenibile può essere tradotta nella produzione di microfoni, apparecchi acustici e sensori acustici.

In questo modo, Wentao Gan e colleghi hanno sviluppato e dimostrato un'efficace strategia top-down per progettare una pellicola di legno ultrasottile di spessore inferiore a 10 micrometri dopo aver sottoposto il legno naturale a delignificazione e densificazione. Hanno osservato una microstruttura unica per il film di legno ultrasottile con pareti cellulari di legno intrecciate e nanofibre di cellulosa allineate, che ha contribuito a proprietà meccaniche eccezionali relative al miglioramento della resistenza alla trazione e del modulo di Young. Il team di ricerca ha realizzato un trasduttore acustico ad alte prestazioni con una maggiore frequenza di risonanza e una maggiore ampiezza di spostamento. Il prototipo di altoparlante verde ha generato musica grazie alle vibrazioni del diaframma in legno ultrasottile con applicazioni acustiche ad ampio raggio del materiale. Il team di ricerca prevede che la tecnica aprirà funzioni e applicazioni aggiuntive per materiali cinematografici resistenti che utilizzano risorse naturali sostenibili e biodegradabili per sostituire la plastica, metallo e ceramica.

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