Les composites enrichis de minéraux renforcent le bois de l’intérieur

Le monde devient de plus en plus conscient de l’environnement et du développement durable, ce qui conduit au développement et à l’utilisation de matériaux composites biosourcés.

Ces matériaux sont considérés comme un remplacement des fibres synthétiques traditionnelles non renouvelables comme les composites renforcés de verre et de carbone, ainsi que des matériaux tels que l’acier et le béton.

Le marché des biocomposites a connu une croissance au cours de la dernière décennie, passant de 4,46 milliards de dollars en 2016 à bien plus de 10 milliards de dollars en 2024. Il est prévu d’atteindre environ 215,62 milliards de dollars d’ici 2034, alors que les avancées technologiques accélèrent l’expansion du marché, que la demande de matériaux légers et à haute résistance augmente, et que les gouvernements du monde entier soutiennent activement le développement de biocomposites avancés.

Après tout, les biocomposites offrent de nombreux avantages par rapport à leurs homologues conventionnels, notamment la neutralité en CO₂, une grande sécurité sanitaire, la résistance à la corrosion, l’isolation thermique, la légèreté, une faible densité et une moindre énergie de production.

Cela ne signifie pas que les matériaux biocomposites n’ont pas leurs défis. Ils présentent en réalité de nombreux inconvénients tels que l’extraction, le traitement, la fabrication, une faible stabilité thermique, de mauvaises propriétés électriques, la flambabilité, la modification de surface, et plus encore.

Relever ces défis et améliorer les propriétés mécaniques des composites biosourcés implique d’étudier leur mécanique multiscalaire en raison de leur structure hiérarchique complexe.

Contrairement aux composites conventionnels, les propriétés des composites biosourcés sont influencées par l’agencement des composants à plusieurs échelles, et pas seulement au niveau macroscopique.

Par exemple, les propriétés mécaniques du bois sont influencées par la disposition de la cellulose, de la lignine et d’autres composants à différentes échelles au sein des parois cellulaires et entre les cellules.

Ici, la mécanique multiscalaire analyse le comportement du matériau à différents niveaux. Cela comprend l’échelle nanométrique, qui traite des interactions entre molécules individuelles et nanoparticules. À l’échelle microscopique, on examine l’agencement des fibres, des cellules ou d’autres microcomposants, tandis que l’échelle mésoscopique implique l’étude de la façon dont cet agencement influence les propriétés globales du matériau. À l’échelle macroscopique, le comportement global du composite, tel que sa rigidité, est analysé.

Des recherches de pointe sont en cours pour étudier et comprendre la mécanique multiscalaire des composites biosourcés, offrant des perspectives uniques sur les relations structure-propriété sous-jacentes.

Cela aide à relever les défis liés à la résistance, la durabilité, la fiabilité et la production durable. Ce faisant, nous obtiendrons des matériaux de prochaine génération qui sont légers et robustes, avec des fonctionnalités leur permettant de s’adapter et de se régénérer.

Approches de pointe pour l’amélioration du bois

En ce qui concerne les composites biosourcés, les matériaux contenant de la cellulose comme le bois suscitent un intérêt considérable en raison de leur architecture interne naturellement complexe. Sans oublier qu’une quantité massive (environ 181,5 milliards de tonnes) de bois est produite chaque année dans le monde, constituant l’une des plus grandes sources de matériaux renouvelables. 

Avec l’extraction croissante des ressources minérales telles que le charbon, le pétrole et le gaz naturel, qui menace la biosphère, l’étude des nano- et microstructures du bois s’est particulièrement intensifiée au cours de la dernière décennie.

Comme l’ont récemment souligné les chercheurs de l’Université de Kyoto :

« Si nous pouvons « voir » ce que l’œil ne peut pas, nous pouvons prolonger la durée de vie des structures en bois et améliorer la durabilité dans le secteur de la construction. »

Ainsi, cette équipe a créé une méthode efficace¹ pour diagnostiquer la détérioration presque invisible du bois avant que les dommages ne deviennent irréparables. Pour cela, ils ont combiné la spectroscopie infrarouge moyenne avec l’apprentissage automatique afin de tester des revêtements de bois artificiellement vieillissants et des revêtements contenant des nanofibres de cellulose afin d’améliorer leur durabilité.

Voici, la méthode des moindres carrés partiels a été utilisée pour construire un modèle prédisant l’étendue de la détérioration, ainsi qu’un algorithme génétique pour identifier les signaux infrarouges les plus informatifs.

« Nous avons été surpris de constater que des changements chimiques très subtils — bien trop petits pour être détectés visuellement — pouvaient être capturés par la spectroscopie infrarouge et prédits par le modèle. »

– Auteur correspondant Yoshikuni Teramoto

Parallèlement, une équipe de chercheurs de l’Université du Maryland a choisi de modifier génétiquement les peupliers, au lieu d’utiliser des produits chimiques, afin de produire du bois structurel haute performance. En utilisant l’édition de base, ils ont éliminé un gène clé appelé 4CL1, ce qui a donné des peupliers avec une teneur en lignine 12,8 % inférieure à celle des peupliers sauvages.

Dans une autre étude passionnante, des scientifiques des matériaux de l’Université Rice et du Laboratoire national d’Oak Ridge ont utilisé les déchets de bois pour créer une encre pouvant être utilisée pour imprimer en 3D des objets semblables au bois.

Cette recherche a utilisé des matériaux de bois mis au rebut, d’abord broyés en fine poussière, puis mélangés à des produits chimiques pour séparer la lignine et la cellulose. Ces deux éléments ont ensuite été décomposés en nanofibres et nanocristaux avant d’être recombinés et ajoutés à de l’eau pour créer un mélange semblable à de l’argile.

Le mélange obtenu a été utilisé comme encre dans une imprimante 3D, puis pour créer plusieurs tables et chaises miniatures. L’utilisation d’une méthode de lyophilisation a éliminé l’humidité des produits, qui ont ensuite été cuits à 180 °C pour fusionner les deux polymères, donnant un objet semblable au bois.

L’objet fini s’est avéré six fois plus durable et trois fois plus flexible que ceux fabriqués à partir de bois original lors des tests. Ils sentaient même le bois naturel. En manipulant le processus d’impression, l’équipe a également pu incorporer des textures semblables au bois dans leurs produits.

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Renforcer le bois avec du nano-fer

Parmi toutes ces approches high-tech, une autre méthode prometteuse, peu coûteuse et évolutive, a été explorée pour renforcer le bois.

Dans cette nouvelle étude, des chercheurs du College of Engineering and Computer Science de l’Université Florida Atlantic, ainsi que ceux de l’Université de Miami et du Laboratoire national d’Oak Ridge, se sont réunis et ont modifié du bois de chêne avec du ferrihydrite nanocristallin.

Le ferrihydrite (Fh) est un minéral oxyhydroxyde ferrique hydraté répandu à la surface de la Terre, précurseur de la plupart des oxydes de fer dans le sol. C’est un nanominéral oxyhydroxyde de fer peu cristallin, connu pour sa petite taille de particule et sa grande surface réactive.

L’idée était de déterminer si l’incorporation de minéraux durs dans les parois des cellules du bois à l’échelle nanométrique les rendrait plus solides sans rendre le matériau coûteux, lourd ou inadapté à l’environnement.

Bien que des études aient examiné la performance du bois traité à différentes échelles, elles sont rares, et aucune n’a réellement renforcé des pièces entières de bois en ajoutant des minéraux inorganiques directement dans leurs parois cellulaires. Selon l’auteur principal de l’étude, Vivian Merk, Ph.D., professeure assistante à la FAU :

« Le bois, comme de nombreux matériaux naturels, possède une structure complexe avec différentes couches et caractéristiques à diverses échelles. Pour vraiment comprendre comment le bois supporte les charges et finit par céder, il est essentiel de l’examiner à travers ces différents niveaux. »

Ainsi, les chercheurs ont poursuivi leurs investigations, en se concentrant sur le bois à pores annulaire. Ce type de bois dur provient d’arbres à feuilles larges comme le chêne, le noyer, le cerisier et l’érable, dont le bois présente de grands vaisseaux en forme d’anneau qui transportent l’eau des racines aux feuilles.

Les chercheurs ont utilisé du chêne rouge pour leur étude, originaire d’Amérique du Nord et utilisé pour la production de papier ainsi que diverses applications de construction.

À l’aide d’une réaction chimique simple, ils ont introduit un composé de fer dans le bois. Ici, le nitrate ferrique a été mélangé à l’hydroxyde de potassium pour créer du ferrihydrite.

L’équipe a ensuite étudié les propriétés mécaniques du composite à différents niveaux d’organisation. Elle a révélé qu’une méthode chimique peu coûteuse utilisant de l’oxyhydroxyde de fer nanocristallin peut renforcer les minuscules parois cellulaires du bois tout en n’ajoutant qu’un poids supplémentaire minime.

Bien que le dépôt de nanoparticules de ferrihydrite à l’intérieur de la paroi cellulaire du bois ait entraîné une augmentation de la rigidité et de la dureté de la paroi cellulaire secondaire fonctionnalisée, le comportement global du bois est resté inchangé.

Ainsi, l’augmentation de la durabilité de la structure interne n’a pas affecté la façon dont le bois se plie ou se casse. Cela pourrait être dû au fait que le traitement affaiblit les connexions entre chaque cellule de bois, ce qui affecte la liaison du matériau à plus grande échelle.

Les résultats suggèrent qu’il est possible d’améliorer la résistance du bois et d’autres matériaux d’origine végétale grâce à un traitement chimique approprié, sans augmenter le poids ni nuire à l’environnement. Cela souligne le potentiel des biomatériaux à remplacer le béton et l’acier à l’avenir.

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Analyse multiscalaire du composite biosourcé

Étant donné que les matériaux cellulaires comme le bois sont des assemblages hautement organisés et hiérarchiques d’éléments structuraux porteurs de charge qui réagissent aux stimuli mécaniques aux échelles microscopique, mésoscopique et macroscopique, l’équipe a examiné en détail la mécanique des composites biosourcés en utilisant différentes méthodes. Merk a noté :

« Pour tester notre hypothèse – que l’ajout de minuscules cristaux minéraux aux parois cellulaires les renforcerait – nous avons employé plusieurs types d’essais mécaniques à la fois à l’échelle nanométrique et à l’échelle macroscopique. »

Les outils utilisés par les chercheurs comprennent la microscopie à force atomique (AFM), une technique puissante qui permet d’imager presque tout type de surface, y compris les céramiques, les composites, les polymères, le verre et les échantillons biologiques.

En utilisant l’AFM, l’équipe a analysé le bois à une très petite échelle, leur permettant de mesurer des propriétés telles que l’élasticité et la rigidité.

En particulier, la technique AM-FM (Modulation d’Amplitude – Modulation de Fréquence) a été utilisée. Cette méthode fait vibrer la pointe de l’AFM à deux fréquences différentes, l’une générant des images de surface détaillées tandis que l’autre mesure l’élasticité et l’adhérence du matériau. La technique leur a fourni une vue précise de la façon dont les parois cellulaires ont changé après le traitement aux minéraux.

L’équipe a également réalisé des tests de nanoindentation au sein d’un microscope électronique à balayage (SEM), qui produit des images d’échantillons en balayant la surface avec un faisceau d’électrons focalisé interagissant avec les atomes pour générer divers signaux contenant des informations sur la topographie de surface et la composition de l’échantillon.

Ici, les chercheurs ont enfoncé de minuscules sondes dans le bois afin de calculer la force de réponse dans différentes zones.

Pour conclure, ils ont ensuite réalisé des essais mécaniques standards tels que la flexion d’échantillons de bois traités et non traités afin d’examiner leur résistance et la façon dont ils se rompaient sous contrainte.

« En examinant le bois à différents niveaux – des structures microscopiques à l’intérieur des parois cellulaires jusqu’à l’ensemble du morceau de bois – nous avons pu en apprendre davantage sur la manière d’améliorer chimiquement les matériaux naturels pour une utilisation concrète. »

– Merk

L’utilisation d’une combinaison d’essais à petite et grande échelle les a réellement aidés à comprendre comment le traitement affectait à la fois les détails fins à l’intérieur des parois cellulaires et la résistance globale du bois.

« Cette recherche représente une avancée significative dans la science des matériaux durables et un pas important vers la construction et le design écologiques. »

– Stella Batalama, Ph.D., doyenne du College of Engineering and Computer Science

Elle a ajouté que, en utilisant des méthodes économiques et respectueuses de l’environnement pour renforcer le bois naturel, cette étude jette les bases de la prochaine génération de matériaux biosourcés capables de remplacer les matériaux traditionnels dans des applications structurelles, telles que les ponts, les bâtiments, les revêtements de sol et le mobilier. Elle a ajouté :

« L’impact de ce travail dépasse largement le domaine de l’ingénierie – il contribue aux efforts mondiaux de réduction des émissions de carbone, de diminution des déchets et d’adoption de solutions durables et inspirées de la nature pour tout, des bâtiments aux infrastructures à grande échelle. »

Entreprises innovantes

1. Weyerhaeuser Company 

Maintenant, si nous examinons les innovateurs majeurs dans ce domaine, Weyerhaeuser Company (WY ) est un important propriétaire de forêts et fabricant de produits en bois. Elle possède ou contrôle environ 10,4 millions d’acres de forêts aux États-Unis et gère des forêts supplémentaires au Canada. 

L’entreprise gère ses forêts de manière entièrement durable et s’intéresse au développement de matériaux biosourcés. Avec une capitalisation boursière de 18,79 milliards de dollars, les actions de Weyerhaeuser se négocient actuellement à 25,80 $, en baisse de 7,96 % depuis le début de l’année. Elle affiche un BPA (TTM) de 0,50, un PER (TTM) de 51,70 et un ROE (TTM) de 3,71 % tout en versant un rendement de dividende de 3,24 %.

En ce qui concerne les finances, Weyerhaeuser a déclaré un bénéfice net de 396 millions de dollars en 2024, soit 54 cents par action diluée. Le chiffre d’affaires net pour l’année complète était de 7,1 milliards de dollars, en baisse de 0,6 milliard par rapport à 2023. De solides résultats ont été obtenus grâce à l’activité Natural Climate Solutions, qui a généré 55 millions de dollars de revenu d’exploitation. Notamment, l’entreprise reste sur la bonne voie pour atteindre 100 millions de dollars d’EBITDA ajusté d’ici la fin de l’année 2025.

« Notre performance en 2024 reflète une exécution solide dans un contexte de marché difficile. »

– PDG Devin W. Stockfish

Au cours de cette période, 735 millions de dollars ont été restitués aux actionnaires sous forme de liquidités, dont 153 millions de dollars de rachats d’actions. Il y a quelques mois, Weyerhaeuser a également annoncé une augmentation de 5 % de son dividende de base. Cela marque la quatrième année consécutive où l’entreprise a augmenté son dividende de base trimestriel.

En ce qui concerne d’autres développements, Weyerhaeuser a reçu l’approbation de son deuxième projet de carbone forestier, a annoncé un investissement stratégique pour construire une nouvelle installation de produits en bois d’ingénierie en Arkansas, et a renforcé son portefeuille Southern Timberlands grâce à des transactions stratégiques en Alabama.

« En entrant en 2025, notre bilan est solide et nous sommes bien positionnés pour profiter de l’amélioration des conditions du marché. Nous restons concentrés sur l’atteinte de nos objectifs pluriannuels, le service à nos clients et la création de valeur à long terme pour nos actionnaires. »

– Stockfish

Les résultats du premier trimestre 2025 le confirment, avec un bénéfice net de 83 millions de dollars, soit 0,11 $ par action diluée, sur un chiffre d’affaires net de 1,8 milliard de dollars.

Au cours de cette période, son segment Timberland a enregistré des volumes de récolte et de ventes domestiques légèrement supérieurs à l’Ouest, tandis que les volumes de ventes à l’exportation étaient légèrement inférieurs, notamment vers la Chine. Dans le segment immobilier, énergie et ressources naturelles, le nombre d’acres vendus a diminué, mais le prix moyen par acre était beaucoup plus élevé. Les réalisations de ventes de bois d’œuvre ont augmenté tandis que les coûts des grumes étaient modérément plus élevés. Les volumes de ventes de produits en bois d’ingénierie, quant à eux, étaient plus faibles, et les coûts de fabrication unitaires ont augmenté.

2. 3M Company

Un autre nom de premier plan dans le domaine est la société 3M, qui participe à la recherche et au développement de matériaux avancés, y compris les nanocomposites et les systèmes biosourcés.

Cette entreprise technologique diversifiée possède une capitalisation boursière de 74,75 milliards de dollars, ses actions se négociant à 138,91 $, en hausse de 7,61 % depuis le début de l’année. Elle affiche un BPA (TTM) de 8,02, un PER (TTM) de 17,31 et un ROE (TTM) de 94,75 % tout en versant un rendement de dividende de 2,10 %.

Les actions de 3M ont bondi après que l’entreprise a maintenu ses prévisions financières annuelles malgré les tarifs douaniers et la guerre commerciale qui présentent de nouveaux risques. L’entreprise bénéficie en fait du fait de détenir 90 jours de stocks. Cependant, elle a reconnu les risques et a décrit des stratégies pour gérer l’environnement commercial turbulent, notamment en optimisant son réseau, en déplaçant la production vers d’autres pays, et éventuellement en imposant des surtaxes à certains clients.

Ce mois-ci, le PDG Bill Brown a déclaré qu’ils disposent « d’une présence très, très importante aux États‑Unis » et qu’ils « examinent très attentivement » la possibilité d’augmenter la production ici.

Disposer d’un portefeuille de milliers de produits grand public et industriels expose 3M à une large part de l’économie. En conséquence, ses ventes ont chuté de 1 % au premier trimestre 2025, atteignant 6 milliards de dollars, tandis que le bénéfice ajusté par action des activités continues était de 1,88 $, dépassant les estimations.

Cela fait suite à une croissance à deux chiffres du bénéfice en 2024, au cours de laquelle 3,8 milliards de dollars ont été restitués aux actionnaires. Pour l’année complète, le BPA ajusté a augmenté de 21 % d’une année sur l’autre pour atteindre 7,30 $, les ventes ont diminué de 0,1 % pour s’établir à 24,6 milliards de dollars, et la trésorerie provenant des opérations s’est élevée à 1,8 milliard de dollars.

Conclusion

Ressource naturelle essentielle, le bois est apprécié pour sa résistance, sa durabilité, sa durabilité environnementale et son coût abordable. Il joue également un rôle clé dans les composites biosourcés, servant de matériau renouvelable et durable capable de remplacer les composites conventionnels dans diverses applications.

Ici, la biomasse végétale complexe, la lignocellulose, est importante car elle forme la structure rigide des parois cellulaires des plantes et permet d’intégrer le bois dans les matériaux composites. Cette composante cruciale du bois peut également être modifiée chimiquement pour créer des matériaux avancés.

Les recherches les plus récentes l’ont utilisé pour améliorer les propriétés du bois, soulignant le rôle de la structuration hiérarchique dans la performance mécanique du bois. Elles montrent comment le renforcement par nanoparticules au niveau de la paroi cellulaire peut améliorer la rigidité, comme confirmé par la nanoindentation et la microscopie à force atomique, sans affecter ses propriétés mécaniques. Ce renforcement naturel du bois met en évidence le potentiel des matériaux biosourcés avancés, qui peuvent conduire à des infrastructures durables et à un avenir meilleur.

Études référencées :

1. Soini, S. A., Lalani, I., Maron, M. L., Gonzalez, D., Mahfuz, H., Domingo-Marimon, N., & Merk, V. (2025). Multiscale mechanical characterization of mineral-reinforced wood cell walls. ACS Applied Materials & Interfaces, 2025. https://doi.org/10.1021/acsami.4c22384