Em um relatório recente sobre Nature Communications , Wentao Gan e uma equipe de pesquisadores dos departamentos de ciência e engenharia de materiais dos EUA detalhou o uso de um filme ultrafino de madeira natural para criar um alto-falante de áudio. A construção exibiu excelentes propriedades mecânicas, incluindo alta resistência à tração e módulo de Young aumentado. As propriedades de espessura ultrafina e resistência mecânica excepcional permitiram excelentes propriedades acústicas com maior frequência de ressonância e maior amplitude de deslocamento quando comparadas a um diafragma de polipropileno comercial em um alto-falante de áudio. Como prova de conceito, Gan et al. usou diretamente o filme de madeira ultrafino como um diafragma em um alto-falante real para emitir música. As superfícies com excelentes propriedades mecânicas e desempenho acústico foram um candidato promissor para construir alto-falantes acústicos de próxima geração.

Filmes finos na escala de mícrons a nanômetros de espessura têm aplicações multifuncionais em células solares, embalagem de alimentos, tratamento de água, eletrônica pessoal e como sensores acústicos. As membranas acústicas são tipicamente muito finas (escala de mícrons) e mecanicamente robustas com um alto módulo para permitir uma resposta de frequência altamente sensível e alta amplitude vibracional. Físicos e engenheiros têm dedicado enormes esforços nas últimas décadas para desenvolver uma variedade de materiais acústicos de filme fino baseados em plástico, metal, cerâmica e carbono para melhorar a qualidade do som.

Filmes finos de plástico são usados ​​de forma onipresente em alto-falantes comerciais devido ao baixo custo e facilidade de fabricação, Contudo, eles impõem um enorme impacto ambiental devido à degradação ineficaz. Metal, materiais cerâmicos e à base de carbono também demonstram módulo mais alto em comparação com filme plástico para melhorar a resposta de frequência da membrana acústica. Esses componentes geralmente custam mais e exigem complexos, processos de fabricação que consomem energia. Como resultado, é desejável desenvolver um biodegradável, filme fino acústico para aplicações ecológicas e econômicas.

Morfologia e caracterização química dos filmes de madeira

Materiais naturais à base de celulose, como bagaço, fibras de madeira, quitina, algodão, a celulose bacteriana e a lignocelulose fornecem uma plataforma ambientalmente correta para fabricar filmes finos rapidamente sem usar recursos fósseis limitados. A estrutura natural da madeira é uma alternativa eficaz para filmes de celulose mais escaláveis ​​e mecanicamente robustos. A madeira pode ser usada como um andaime para construir filmes finos em uma abordagem de cima para baixo em um processo escalonável e econômico em comparação com os métodos de baixo para cima. Manter o alinhamento das fibras de celulose permitirá propriedades mecânicas robustas no material resultante. A madeira também é renovável, biodegradável e ambientalmente sustentável em comparação com plásticos e metais.

Para construir o filme ultrafino com uma espessura tão baixa quanto 8,5 micrômetros no presente trabalho, Gan et al. lignina parcialmente removida (deslignificação) e hemicelulose da madeira balsa natural. Eles geraram um material altamente poroso, que reteve a maior parte da celulose nas paredes celulares, seguido pelo aumento da densidade da madeira tratada por prensagem a quente para uma redução de espessura de 97 por cento. A estrutura da parede celular de madeira densamente compactada combinada com fibras de celulose altamente alinhadas, contribuiu para uma resistência à tração superior e alto módulo de Young. A equipe de pesquisa usou métodos de corte baseados na indústria para desenvolver um filme de madeira balsa natural com um metro de comprimento no laboratório para revelar o potencial do material para fabricação em grande escala por meio de uma abordagem de cima para baixo.

Propriedades mecânicas dos filmes de madeira

Gan et al. cortar a madeira natural ao longo de sua direção longitudinal para manter a estrutura do canal e observar as estruturas microscópicas usando microscopia eletrônica de varredura (MEV). As nanofibras de celulose no filme de madeira ultrafino permaneceram altamente orientadas, mas mais densamente laminadas em comparação com a madeira natural. A análise de difração de raios-X (XRD) indicou a retenção do alinhamento molecular e da estrutura cristalina das nanofibras de celulose, o que era importante para as propriedades mecânicas do material.

Para entender as propriedades mecânicas do material, a equipe de pesquisa conduziu testes mecânicos de tração. A madeira ultrafina apresentou comportamento mecânico muito melhor em comparação com a madeira natural, com resistência à fratura aumentada de até 342 MPa e módulo de Young de 43,65 GPa. Esses valores indicaram uma melhora de quase 20 vezes na resistência à tração e 35 vezes no módulo de Young em comparação com a madeira natural.

Os cientistas estavam ansiosos para entender os mecanismos subjacentes. Por esta, eles usaram observações SEM e demonstraram uma microestrutura porosa com numerosos canais de madeira na fatia de madeira natural após testes de tração. O recurso tornou mais fácil puxar a madeira solta durante a tensão; explicando a resistência à fratura naturalmente baixa observada. Em contraste, as paredes das células da madeira dentro do filme de madeira ultrafino sintético formaram ligações de hidrogênio entre as nanofibras de celulose firmemente comprimidas após a densificação; requerendo maior energia para ser separado.

A alta resistência à tração e o módulo de Young do filme ultrafino também excedeu os biomateriais plásticos e naturais típicos para validar suas excelentes propriedades mecânicas. A flexibilidade e dobrabilidade excepcionais permitiram que as equipes de pesquisa desenvolvessem uma variedade de designs de origami. Em contraste, a frágil madeira natural não demonstrou tal maleabilidade. A dobrabilidade também destacou os usos potenciais dos filmes de madeira ultrafinos para fotônica, sensores acústicos e dispositivos eletrônicos flexíveis. O alto módulo de Young e a natureza ultrafina do filme de madeira ajudaram a aumentar a frequência de ressonância e melhorar a amplitude de deslocamento da vibração do diafragma. Essas características se adequaram fortemente às aplicações do filme de madeira ultrafino como um diafragma para transdutores acústicos com uma ampla largura de banda de operação, com alta sensibilidade para microfones e altos níveis de pressão sonora para alto-falantes.

A nova construção formou uma alternativa atraente para filmes de polímero convencionais, permitindo que o filme de madeira ultrafino se torne altamente adequado para transdutores acústicos com uma ampla largura de banda de operação, alta sensibilidade e altos níveis de pressão sonora. Para confirmar as propriedades de aumento da frequência de ressonância e deslocamento, a equipe testou a resposta de frequência da madeira ultrafina em comparação com um filme de polímero convencional. Os resultados foram altamente desejáveis ​​como transdutores acústicos de alto desempenho.

Gan et al. demonstrou aplicações promissoras dos filmes de madeira ultrafinos como um transdutor acústico para montar um alto-falante em miniatura. O protótipo continha um diafragma de madeira e uma placa de circuito com um alto-falante em miniatura, contendo uma bobina de cobre e um ímã permanente. A configuração facilitou as forças eletromagnéticas para atuar na bobina e fazer com que o diafragma vibrasse para frente e para trás. Eles traduziram o sinal elétrico em um som audível, como resultado da pressão do ar causada pelo diafragma e gravado o som audível do protótipo do alto-falante usando um microfone e uma onda sonora, que eles analisaram usando Adobe Audition CC. A equipe de pesquisa usou o alto-falante para reproduzir uma gravação da Marcha do Matador da Espanha. Eles esperam melhorar ainda mais o projeto da estrutura do diafragma e as montagens precisas dentro do processo industrial existente. A tecnologia sustentável pode ser traduzida na fabricação de microfones, aparelhos auditivos e sensores acústicos.

Desta maneira, Wentao Gan e colegas desenvolveram e demonstraram uma estratégia de cima para baixo eficaz para projetar um filme de madeira ultrafino com menos de 10 micrômetros de espessura após submeter a madeira natural a deslignificação e densificação. Eles observaram uma microestrutura única para o filme de madeira ultrafino com paredes de células de madeira entrelaçadas e nanofibras de celulose alinhadas, que contribuiu para excelentes propriedades mecânicas em relação à resistência à tração aprimorada e módulo de Young. A equipe de pesquisa obteve um transdutor acústico de alto desempenho com frequência de ressonância aumentada e amplitude de deslocamento aprimorada. O protótipo do alto-falante verde gerou música devido às vibrações do diafragma de madeira ultrafino com uma ampla gama de aplicações acústicas do material. A equipe de pesquisa prevê que a técnica abrirá funções e aplicações adicionais para materiais de filmes fortes usando recursos naturais biodegradáveis ​​e sustentáveis ​​para substituir o plástico, metal e cerâmica.

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