Il sughero: un materiale naturale dalle proprietà sorprendenti

di Vincenzo Villani e Vito Lavallata

Dipartimento di Scienze, Università della Basilicata

sughero e tappo di sughero Il sughero è un materiale molto diffuso e a tutti ben noto, ma non altrettanto ben conosciuto. L’uso che lo rende tanto comune è quello di sigillare bottiglie di vino, spumante, …, e nel periodo natalizio di risultare essenziale per la realizzazione del presepe. Ma il sughero è molto di più: la sua struttura microscopica e composizione è sorprendente, rendendolo campione di isolamento meccanico, acustico, termico ed elettromagnetico. In passato è stato largamente utilizzato per questi scopi e oggi viene riproposto, assieme a materiali polimerici di sintesi, in compositi dalle alte prestazioni tecnologiche.
Dal punto di vista microscopio è detto “materiale cellulare”, cioè costituito da una moltitudine di cellette simili all’alveare delle api. Le sue proprietà isolanti sono dovute alla capacità di dissipare energia, rendendolo quindi adatto a insonorizzare un ambiente, ad assorbire le vibrazioni di un motore, a coibentare degli apparati, e così via.

cataste di sughero grezzo appena raccolto

cataste di sughero grezzo appena raccolto

Con il termine ‘solidi cellulari’ si indicano quei materiali costituiti da un insieme di celle ovvero spazi contenenti gas delimitati da facce solide o da soli spigoli. Si tratta dunque, generalmente, di sistemi bifasici, tant’è che si può pensare ai materiali cellulari come ‘compositi’ costituiti da solido e gas. Un materiale cellulare può essere ‘a celle aperte’ se costituito da una rete di spigoli o ‘a celle chiuse’ se costituito da un reticolo di membrane che formano le facce delle celle.
Materiali naturali come la corteccia di sughero, il tessuto osseo spugnoso, il legno di balsa, i coralli, l’osso di seppia, le spugne, le foglie dell’iris, gli steli delle piante, il citoscheletro delle cellule viventi e molte altre strutture, sono solidi “cellulari”. Questi materiali furono descritti per la prima volta da Robert Hooke (celebre per la famosa legge dell’elasticità) in Micrographia nel 1665 descrivendo proprio la morfologia del sughero come risultava all’esame microscopico: mediante un microscopio che oggi giudicheremmo rudimentale, ma che tuttavia permise di descrivere con esattezza la struttura del materiale.

La rappresentazione di Hooke della morfologia del sughero.

Fig. 1 – La rappresentazione di Hooke della morfologia del sughero.

“[…] it had a very little solid substance, in comparison of the empty cavity as does more manifestly appear by the Figure [figura 1], walls or partitions of those pores were near as thin in proportion to their pores, as those thin films of wax in a honey-comb (which enclose and constitute the sexangular cells) are to theirs.”

La forma più semplice di struttura cellulare è un reticolo bidimensionale di poligoni che s’impacchettano riempiendo il piano di celle esagonali come in un alveare. In questo caso chiamiamo tali materiali a nido d’ape. In generale, le celle sono poliedri che s’impacchettano in tre dimensioni a formare materiali cellulari detti schiume. La figura 2 mostra tre esempi di solidi cellulari, precisamente una struttura a nido d’ape esagonale, una schiuma a celle aperte e una a celle chiuse, rispettivamente. I solidi cellulari possono essere a base di metallo, polimero, ceramica e vetro; quasi tutti i materiali possono essere espansi, ovvero prodotti in una struttura a celle chiuse o aperte anche se generalmente queste strutture non sono mai completamente distinte.

Esempi di solidi cellulari: (a) alluminio a nido d’ape; (b) schiuma poliuretanica a celle aperte; (c) schiuma polietilenica a celle chiuse

Fig. 2 – Esempi di solidi cellulari: (a) alluminio a nido d’ape; (b) schiuma poliuretanica a celle aperte; (c) schiuma polietilenica a celle chiuse

Una delle più importanti caratteristiche di un solido cellulare è la sua densità relativa, ρr = ρ/ρs, dove ρ è la densità del materiale cellulare e ρs è la densità del solido di cui sono costituite le pareti della cella. La densità di un materiale cellulare è sempre minore, a volte anche di due ordini di grandezza, rispetto a quella del solido che ne costituisce la struttura: per il sughero si ha un valore di ~0.14.  Appena la densità relativa aumenta, le pareti della cella s’ispessiscono e lo spazio dei pori si restringe; sopra il valore di densità relativa pari a ~0.30 si passa da una struttura cellulare continua a una discontinua contenente pori isolati. Tuttavia, non è sufficiente che un materiale abbia densità inferiore a quella del solido che lo compone perché si possa parlare di solido cellulare: questa proprietà, infatti, è comune anche ad altre classi di materiali, come i materiali fibrosi (ad esempio, un fiocco di cotone). Affinché si possa parlare di solidi cellulari, le celle devono essere distintamente individuabili e ben delimitate.
Idealmente, in una struttura a celle aperte, non si hanno facce, ma solo spigoli: l’intera struttura è costituita da un reticolo di spigoli e non vi sono membrane a delimitare lateralmente le celle. Al contrario, una struttura a celle chiuse ha tutte le celle indipendenti tra loro, connesse da membrane su ogni faccia. Nella pratica si hanno quasi sempre strutture intermedie tra i due tipi limite. Esistono, in aggiunta ai materiali cellulari naturali, anche quelli di sintesi, quali ad esempio materiali polimerici (a base di poliuretani, polisterene, …. a celle aperte, polietilene, polipropilene, … a celle chiuse), metallici (Ni e Cu), ceramici e vetro.
Dal punto di vista tecnologico c’è interesse crescente a preparare compositi polimerici a base di sughero. Ad esempio, può essere additivato a resine epossidiche (un materiale polimerico estremamente rigido) in applicazioni aerospaziali. In questo caso ne incrementa la tenacità ovvero la resistenza alla frattura e la capacità di assorbire energia meccanica, dissipando l’energia di un urto e vibrazioni meccaniche. Inoltre, questo materiale è interessante anche dal punto di vista ecologico, essendo biodegradabile.

struttura della suberina

Il sughero è costituito sia da componenti strutturali polimeriche sia da componenti non strutturali a basso peso molecolare. Questi ultimi sono classificati in estraibili e non estraibili, divisi in cerosi e componenti fenolici, che giocano un ruolo protettivo contro gli attacchi degli organismi biologici.
Più precisamente, le pareti delle celle del sughero hanno una struttura a strati, che consiste di una sottile lamina centrale ricca di lignina, e spesse pareti secondarie costituite da lamine alternate di suberina e cera, e una sottile parete terziaria di polisaccaridi: pertanto, il sughero si presenta come un materiale polimerico altamente composito.
Alcuni studi suggeriscono che la parete secondaria è lignificata, inoltre che nei componenti della parete cellulare la suberina è la più abbondante (approssimativamente il 40%), la restante parte è costituita da lignina (22%), polisaccaridi (18%) ed estraibili (15%) [7]. Oltre ai principali componenti macromolecolari (suberina e lignina), altri componenti esercitano un’importante influenza sulle proprietà chimiche e fisiche del sughero. Tali componenti sono principalmente polisaccaridi, cere e tannini. La suberina è responsabile della comprimibilità e dell’elasticità del sughero, mentre la lignina della struttura delle pareti della cella. I polisaccaridi forniscono rigidità strutturale alle celle, impedendo il loro collasso. Le cere respingono acqua e contribuiscono alla bassa permeabilità del sughero mentre i tannini sono responsabili del colore e della protezione del materiale.

Oggi il sughero è stato riscoperto in applicazioni tecnologicamente avanzate grazie alla sua elaborata struttura e composizione. Viene utilizzato in strutture leggere, nel packaging, nell’isolamento termo-acustico, come supporto per catalizzatori, applicazioni biomediche, sicurezza passiva in campo veicolistico, etc. Il sughero è adatto a migliorare le capacità dissipative dei polimeri rinforzati con fibre mediante strutture a sandwich in cui è utilizzato nel core.
Nonostante i molti studi sulle proprietà meccaniche del sughero, molte questioni riguardanti le sue proprietà viscoelastiche sono tutt’oggi attivo oggetto di ricerca rendendo nuovamente moderno questo materiale antico.

alcune recenti applicazioni del sughero

alcune recenti applicazioni del sughero

Una risposta a Il sughero: un materiale naturale dalle proprietà sorprendenti

  • Gerlando Gianfranco Fiaccabrino scrive:

    L’ articolo relativo al sughero è esaustivo, del resto la chiarezza e la completezza degli argomenti contraddistinguono CHIMICARE. Vivissimi complimenti per l’opera di divulgazione scientifica che il sito CHIMICARE svolge.

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