Ao infundir ferrihidrita em carvalho vermelho usando um processo simples e de baixo custo, os pesquisadores fortaleceram a madeira em nível celular sem adicionar peso ou alterar a flexibilidade — oferecendo uma alternativa durável e ecológica ao aço e ao concreto. A madeira tratada mantém seu comportamento natural, mas ganha durabilidade interna — abrindo caminho para alternativas mais sustentáveis na construção, mobiliário e pisos.

Cientistas e engenheiros estão desenvolvendo materiais de alto desempenho a partir de fontes ecologicamente corretas, como resíduos vegetais. Um componente essencial, a lignocelulose — encontrada na madeira e em muitas plantas — pode ser facilmente coletada e modificada quimicamente para melhorar suas propriedades.

Ao utilizar esses tipos de transformações químicas, pesquisadores estão criando materiais avançados e novas maneiras de projetar e construir de forma sustentável. Com cerca de 181,5 bilhões de toneladas de madeira produzidas globalmente a cada ano, ela é uma das maiores fontes de materiais renováveis.

Pesquisadores da Faculdade de Engenharia e Ciência da Computação da Florida Atlantic University e colaboradores da Universidade de Miami e do Laboratório Nacional de Oak Ridge queriam descobrir se a adição de minerais extremamente duros em nanoescala poderia tornar as paredes das células da madeira mais resistentes — sem tornar a madeira pesada, cara ou prejudicial ao meio ambiente. Poucos estudos investigaram o desempenho da madeira tratada em diferentes escalas, e nenhum deles conseguiu fortalecer peças inteiras de madeira incorporando minerais inorgânicos diretamente nas paredes celulares.

A equipe de pesquisa se concentrou em um tipo especial de madeira nobre conhecida como madeira porosa em anel, proveniente de árvores de folhas largas, como carvalho, bordo, cerejeira e nogueira. Essas árvores apresentam grandes vasos em forma de anel na madeira que transportam água das raízes para as folhas.

Para o estudo, os pesquisadores utilizaram carvalho vermelho, uma madeira nobre comum na América do Norte, e introduziram um composto de ferro na madeira por meio de uma reação química simples. Ao misturar nitrato férrico com hidróxido de potássio, eles criaram ferri-hidrita, um mineral de óxido de ferro comumente encontrado no solo e na água.

Os resultados do estudo, publicados no periódico ACS Applied Materials and Interfaces , revelaram que um método químico simples e econômico que usa um mineral seguro chamado oxihidróxido de ferro nanocristalino pode fortalecer as pequenas paredes celulares da madeira, adicionando apenas uma pequena quantidade de peso extra.

Embora a estrutura interna tenha se tornado mais durável, o comportamento geral da madeira — como a forma como ela se dobra ou quebra — permaneceu praticamente inalterado. Isso provavelmente se deve ao fato de o tratamento ter enfraquecido as conexões entre as células individuais da madeira, afetando a forma como o material se mantém unido em uma escala maior.

As descobertas sugerem que, com o tratamento químico adequado, é possível aumentar a resistência da madeira e de outros materiais vegetais sem aumentar seu peso ou prejudicar o meio ambiente. Esses materiais de base biológica poderão um dia substituir materiais de construção tradicionais, como aço e concreto, em aplicações como edifícios altos, pontes, móveis e pisos.

"A madeira, como muitos materiais naturais, possui uma estrutura complexa com diferentes camadas e características em escalas variadas. Para entender verdadeiramente como a madeira suporta cargas e eventualmente falha, é essencial examiná-la nesses diferentes níveis", disse Vivian Merk, Ph.D., autora sênior e professora assistente do Departamento de Engenharia Oceânica e Mecânica da FAU, do Departamento de Engenharia Biomédica da FAU e do Departamento de Química e Bioquímica da FAU, no Charles E. Schmidt College of Science.

"Para testar nossa hipótese — de que adicionar pequenos cristais minerais às paredes celulares as fortaleceria — empregamos vários tipos de testes mecânicos tanto em nanoescala quanto em escala macroscópica."

No estudo, os pesquisadores utilizaram ferramentas avançadas, como a microscopia de força atômica (AFM), para examinar a madeira em uma escala muito pequena, permitindo a medição de propriedades como rigidez e elasticidade. Especificamente, eles empregaram uma técnica chamada AM-FM (Modulação de Amplitude — Modulação de Frequência), que vibra a ponta do AFM em duas frequências diferentes. Uma frequência gera imagens detalhadas da superfície, enquanto a outra mede a elasticidade e a viscosidade do material. Esse método proporcionou uma visão precisa de como as paredes celulares da madeira foram alteradas após o tratamento com minerais.

Além disso, a equipe realizou testes de nanoindentação em um microscópio eletrônico de varredura (MEV), onde pequenas sondas foram pressionadas na madeira para medir sua resposta à força em diferentes áreas. Para completar a análise, realizaram testes mecânicos padrão — como dobrar amostras de madeira tratada e não tratada — para avaliar sua resistência geral e como elas se rompiam sob estresse.

"Ao observar a madeira em diferentes níveis — desde as estruturas microscópicas dentro das paredes celulares até a peça inteira de madeira — conseguimos aprender mais sobre como melhorar quimicamente materiais naturais para uso no mundo real", disse Merk.

Essa combinação de testes em pequena e grande escala ajudou os pesquisadores a entender como o tratamento afetou tanto os detalhes finos dentro das paredes celulares quanto a resistência geral da madeira.

"Esta pesquisa marca um avanço significativo na ciência de materiais sustentáveis e um passo significativo em direção à construção e ao design ecologicamente corretos", disse Stella Batalama, Ph.D., reitora da Faculdade de Engenharia e Ciência da Computação.

"Ao reforçar a madeira natural por meio de métodos ambientalmente conscientes e econômicos, nossos pesquisadores estão preparando o terreno para uma nova geração de materiais de base biológica que têm o potencial de substituir materiais tradicionais como aço e concreto em aplicações estruturais.

"O impacto deste trabalho vai muito além do campo da engenharia — ele contribui para os esforços globais de redução de emissões de carbono, diminuição de resíduos e adoção de soluções sustentáveis e inspiradas na natureza para tudo, desde edifícios até infraestrutura de grande escala."