Le bois transformé en un matériau de construction ultra-résistant

Science des matériaux et alternatives écologiques

Il y a quelques années, une équipe de recherche au sein de l’université du Maryland développait un procédé chimique permettant de transformer le bois naturel en matériau structurel haute performance, multipliant par dix sa résistance, sa ténacité et sa résistance balistique. Ce procédé, dont la première étape est similaire à la production du papier, visant à concentrer les fibres de cellulose, pourrait aujourd’hui révolutionner l’industrie des matériaux structuraux en offrant une alternative légère et écologique aux aciers et alliages traditionnels, notamment dans la construction des bâtiments.

Une équipe de recherche internationale dirigée par l’Université du Maryland a développé il y a quelques années une méthode chimique pour transformer le bois naturel en matériau structurel haute performance.

Publiée dans la revue Nature en février 2018, cette innovation permet de multiplier par plus de dix la résistance et la ténacité du bois tout en conservant sa légèreté naturelle.

Le procédé développé par les chercheurs répond à une problématique majeure de l’ingénierie des matériaux : les matériaux classiques performants souffrent soit d’un poids important et d’un impact environnemental négatif, comme les métaux (aciers et alliages), soit de processus de fabrication complexes et coûteux, comme dans le cas des composites polymères. Le bois naturel, bien qu’abondant et peu coûteux, ne présentait jusqu’alors pas les performances mécaniques suffisantes pour des applications d’ingénierie avancées.

Nanofibres de cellulose densément compactées

La technique mise au point consiste en un traitement en deux étapes. Dans un premier temps, un traitement chimique vise à l’élimination partielle de la lignine et de l’hémicellulose du bois naturel par ébullition dans un mélange aqueux de soude caustique et de sulfite de sodium : ce traitement, similaire à la production du papier, débarasse le bois d’une grande partie de ses composants rigides pour ne conserver que la cellulose. Dans un second temps, le bois traité subit un pressage à chaud à 100 °C perpendiculairement au sens de croissance, provoquant la destruction complète des canaux tubulaires et des parois cellulaires, et aboutit à un tissu très dense composé de nanofibres de celluloses.

Les résultats obtenus dépassent toutes les attentes. Le bois densifié présente une résistance à la traction record de 587 MPa, soit 11,5 fois supérieure à celle du bois naturel non traité. Cette performance dépasse celle de nombreux plastiques classiques comme le nylon, le polycarbonate ou l’époxy. Plus notable encore, cette augmentation de la résistance ne s’accompagne pas d’une diminution de la ténacité (résistance à la propagation d’une fissure), contrairement à ce qui est habituellement observé dans la conception des matériaux. Les deux paramètres de ténacité et de raideur (résistance à la déformation élastique) sont l’un et l’autre plus de dix fois supérieurs à ceux du bois naturel.

La microstructure du matériau obtenu explique ces performances remarquables. L’effondrement complet des canaux et parois cellulaires crée une structure laminée unique où les parois sont étroitement entrelacées. À l’échelle nanométrique, les nanofibres de cellulose restent parfaitement alignées mais sont beaucoup plus densément compactées. Cette organisation favorise la formation de nombreuses liaisons hydrogène entre les chaînes moléculaires de cellulose lors des contraintes mécaniques, multipliant l’énergie nécessaire à la rupture du matériau.

L’un des avantages majeurs de ce bois densifié réside dans sa résistance spécifique, c’est-à-dire le rapport entre sa résistance et sa densité. Avec 451 MPa cm³/g, elle surpasse celle des alliages de titane légers (environ 244 MPa cm³/g), positionnant ce matériau comme une alternative crédible aux métaux dans de nombreuses applications. De plus, le bois densifié conserve une excellente stabilité dimensionnelle face à l’humidité, ne gonflant que de 8,4% de son épaisseur après exposition à 95% d’humidité relative pendant 128 heures.

L’universalité du procédé constitue un autre atout majeur. Les chercheurs ont démontré son efficacité sur différentes essences de bois, qu’il s’agisse de bois durs comme le chêne et le frêne, ou de bois tendres comme le cèdre, le pin ou le peuplier. Dans tous les cas, les améliorations de résistance et de ténacité sont substantielles, validant la robustesse de la méthode développée.

Cette innovation ouvre des perspectives considérables pour le développement de matériaux structurels durables, notamment de par sa simplicité de mise en oeuvre, comparé aux méthodes de fabrication complexes et coûteuses des composites polymères ou biomimétiques actuels : matériaux à l’imitation des nanocomposites naturels de protéines et de minéraux, comme la nacre ou les tissus biologiques (bois, tendons, os, etc.) ; nanocomposites polymères stratifiés (nanofeuilles d’aluminosilicate) ; métaux micro- ou nanostructurés ; nanopapier de cellulose... En transformant à moindre coût une ressource naturelle abondante et renouvelable en matériau de haute performance, cette technique pourrait révolutionner certains secteurs industriels tout en réduisant l’impact environnemental des matériaux de construction et d’ingénierie, en offrant une alternative légère et écologique aux aciers et alliages traditionnels.

André Roussainville

Article de référence

Ressource : Processing bulk natural wood into a high-performance structural material (nature.com)

Ressource : Processing bulk natural wood into a high-performance structural material (research.fs.usda.gov)

Ressources numériques

Ressource : Bois (sambuc.fr)

Ressource : Densité du bois (sambuc.fr)

Ressource : Test de dureté Janka (sambuc.fr)

Ressource : Natural wood into a highly efficient structural material (floydslaski.co.uk)

Ressource : InventWood (inventwood.com)

Ressource : Fabrication of High-Performance Densified Wood via High-Pressure Steam Treatment and Hot-Pressing (mdpi.com)

Ressource : Layered nanocomposites inspired by the structure and mechanical properties of nacre (pubs.rsc.org)

Ressource : A Synchrotron Look at Steel (science.org)

Ressource : Ultrastrong and Stiff Layered Polymer Nanocomposites (science.org)

Ressource : Nanostructured metals : Retaining ductility (nature.com)

Ressource : Nature’s hierarchical materials (sciencedirect.com)

Ressource : Materials become insensitive to flaws at nanoscale: Lessons from nature (pnas.org)

Ressource : Structural Biological Materials: Critical Mechanics-Materials Connections (science.org)

Ressource : Anomalous scaling law of strength and toughness of cellulose nanopaper (pnas.org)

Entités nommées fréquentes : MPa.