Composizione chimica e ultrastruttura del legno

Composizione chimica elementare

Relativamente alla composizione chimica elementare, non si riscontrano differenze significative tra le varie specie legnose. I principali elementi chimici di base del legno sono carbonio (C), idrogeno (H) e ossigeno (O); sono, inoltre, presenti piccoli quantitativi di azoto (N).

L'analisi chimica del legno di un gran numero di specie botaniche, appartenenti sia alle Conifere che alle Latifoglie, evidenzia la seguente proporzione tra i vari elementi chimici, espressa in percentuale rispetto alla massa anidra del campione: carbonio 49-50%, idrogeno 6%, ossigeno 44-45%, azoto 0,1-1%.

In aggiunta a quanto sopra, nelle ceneri del legno, è possibile riscontrare quantità limitate di elementi minerali, principalmente calcio (Ca), potassio (K) e magnesio (Mg). In genere, comunque, il contenuto in ceneri di un campione di legno è raramente superiore all'1% della sua massa anidra.

Composti organici del legno

Carbonio, idrogeno e ossigeno si combinano tra loro per formare i principali composti organici del legno e cioè cellulosa, emicellulose, lignina e piccole quantità di sostanze pectiche

Tali composti non sono, però, entità chimiche di facile individuazione. I termini cellulosa, emicellulose, ecc.. sono, infatti, piuttosto generici e comprendono un certo numero di composti chimicamente associati tra loro.

La separazione e la determinazione quantitativa di ciascun composto viene realizzata in laboratorio con l'uso di solventi e tecniche specifiche tuttavia, procedure di analisi diverse tra loro fanno spesso registrare differenze nella composizione chimica di mo stesso campione di legno e, di conseguenza, i dati citati in letteratura non risultano sempre coerenti (le variazioni possono essere di entità elevata).

Sulla base di metodologie di preparazione unificate, le proporzioni di cellulosa, emicellulose e lignina (espresse, sempre, in percentuale del peso del campione di legno anidro) risultano approssimativamente le seguenti: cellulosa 40-50% (circa uguale nelle Conifere e nelle Latifoglie); emicellulose 20% nelle Conifere e 15-35% nelle Latifoglie; lignina 25-35% nelle Conifere e 17-25% nelle Latifoglie. La proporzione di sostanze pectiche è molto ridotta.

La cellulosa è un polimero organico composto da molecole di glucosio (o, meglio D-glucopiranosio, di formula C₆11₁₂O₆), un monosaccaride che viene sintetizzato, tramite l'attività fotosintetica, dall'ossido di carbonio (CO₂) presente nell'atmosfera. Le suddette molecole sono legate tra loro a formare una lunga catena filiforme in cui il legame tra due di esse (che dà origine al dimero noto come cellobiosio) è del tipo 1,4 β-glucosidico, in quanto coinvolge il carbonio in posizione 1 di una molecola e quello in posizione 4 dell'altra comportando una rotazione di 180° da parte di ciascuna molecola che, via via, si aggiunge alla catena previa eliminazione di una molecola d'acqua.

Il processo di ripetuta unione di unità del monomero glucosio è detto "polimerizzazione".

La formula empirica della cellulosa è, pertanto, (C₆H₁₀O₅)_n ove il suffisso n indica il grado di polimerizzazione,

cioè il numero di monomeri di glucosio contenuti all'interno della macromolecola. Allo stato nascente, il valore di n varia tra 8000 e 10000.

Struttura molecolare del cellobiosio

Le emicellulose risultano chimicamente simili alla cellulosa in quanto sono entrambe carboidrati. Tale termine comprende tutti i composti chimici a base di carbonio, idrogeno e ossigeno nei quali gli ultimi due elementi sono presenti nelle stesse proporzioni in cui compaiono nella formula dell'acqua.

La separazione tra cellulosa e emicellulose è resa possibile dalla loro diversa solubilità in alcali; contrariamente alle emicellulose, infatti, la cellulosa non è solubile in una soluzione al 17,5% di soda caustica (NaOH).

Le emicellulose hanno, inoltre, molecola catenifonne come quella della cellulosa (solo a volte appaiono ramificate) ma il loro grado di polimerizzazione è molto più ridotto e, in media, circa uguale a 150-200 unità monomeriche.

Diversamente dalla cellulosa, che è composta esclusivamente da glucosio, le emicellulose includono altri monosaccaridi. Nel legno delle Conifere le loro unità elementari sono, infatti, costituite soprattutto da mannosio (zucchero formato, come il glucosio, da 6 atomi di carbonio) a cui si accompagna la sporadica presenza di qualche molecola di xilosio (zucchero a 5 atomi di carbonio); nelle Latifoglie prevale, invece, di gran lunga lo xilosio.

Le sostanze pectiche sono ugualmente carboidrati o composti di natura analoga, in quanto formati dall'aggregazione di 20-100 molecole di acido galatturonico. Anch'esse presentano struttura filiforme e si idratano facilmente assumendo una consistenza gelatinosa.

Tali sostanze prevalgono nei tessuti cambiali ove formano la membrana che separa le nuove derivate dalle cellule del tessuto me ristematico.

Secondo alcuni Autori, le sostanze pectiche sarebbero assenti nel legno maturo (quello cioè che ha subito il processo di lignificazione), anche se l'opinione prevalente è che siano, comunque, presenti sebbene in proporzioni limitate. Le sostanze pectiche risultano, in ogni caso, localizzate soprattutto nella lamella mediana e nella parete primaria.

Tutti i carboidrati (cellulosa, emicellulose e sostanze pectiche) sono anche noti con il termine collettivo di "olocellulosa". Sulla base della diversa solubilità in una soluzione di soda caustica al 17,5% quest'ultima, a sua volta, viene distinta in α-cellulosa (insolubile e che rappresenta la cellulosa propriamente detta) ed in β- e γ-cellulosa (che sono, invece, solubili).

La lignina è il componente della parete cellulare che differenzia il legno dagli altri materiali cellulosici prodotti in natura.

La lignificazione, ovvero la deposizione di lignina all'interno delle pareti, costituisce l'ultimo ladio dello sviluppo cellulare. La lignina, infatti, è prodotta esclusivamente da cellule vive ed il completamento del processo di lignificazione coincide praticamente con il degradamento del protoplasma e con la morte della cellula.

E' interessante notare che la presenza di lignina è sempre associata a quella della cellulosa, mentre non è vero il contrario; quest'ultima, ad esempio, è presente in natura quasi allo stato puro nelle fibre del cotone.

La lignina non è un carboidrato ma ha una natura prevalentemente aromatica e può essere vista come un complesso polimero tridimensionale costituito da monomeri collegati tra loro mediante una gran varietà di legami chimici. Il tipo di struttura chimica e la sua reattività non sono, tuttavia, completamente cono sciute (anche a causa di significative modificazioni strutturali che avvengono a carico della molecola durante il processo di estrazione) e il suo isolamento rimane un problema non del tutto risolto.

In linea di massima, si ritiene che i vari polimeri siam costituiti dalla ripetizione di un monomero di base rappresentato dall'idrossifenilpropano da cui troverebbero origine tre principali precursori individuati rispettivamente nell'alcool coniferilico, sinafilico e cumarilico. Da queste sostanze, attraverso complesse reazioni enzimatiche che favoriscono successivi processi di condensazione, si determinerebbe la formazione di strutture molecolari amorfe non cristalline.

La composizione della lignina contenuta nel legno delle Conifere (lignina di tipo guiaicilico) differisce, tra l'altro, da quella delle Latifoglie (lignina di tipo guaiacil-siringilico) e varia, soprattutto, tra le diverse specie botaniche appartenenti a quest'ultima categoria.

Struttura della molecola di lignina

Estrattivi

Il legno può contenere varie inclusioni (soprattutto di natura organica) che sono dette collettivamente estrattivi o "sostanze estranee alla parete cellulare". Queste, infatti, non fanno parte dei tessuti legnosi, ma risultano depositate nei lumi cellulari e negli spazi esistenti all'interno delle pareti stesse. La prima denominazione, infatti, fa riferimento alla possibilità (almeno parziale) di estrarli dal legno mediante acqua fredda o calda, vapore o solventi organici come, ad esempio, il benzene, l'acetone o vari eteri ed alcoli.

Gli estrattivi includono sostanze di varia composizione chimica quali, ad esempio:

- polifenoli, che abbracciano un gruppo di composti (lignine, tannini, flavoni, chinoni, antociani, ecc..) in grado di conferire al legno particolari caratteristiche cromatiche e di durabilità naturale;

- terpeni, che costituiscono la parte volatile e gli acidi grassi delle resine del legno e si ritrovano in abbondanza in molte specie di Pini;

- tropoloni, strutture formate da un anello con 7 atomi di carbonio, tipici delle Cupressaceae in cui aumentano considerevolmente la durabilità naturale del legno;

 altri prodotti metabolici e sostanze di riserva (glucosidi, grassi, oli, ecc..), la cui presenza costituisce, invece, un maggior rischio nei confronti degli attacchi di alcuni agenti del biodegradamento.

Nel legno delle piante arboree che vegetano nelle Regioni a clima temperato, la percentuale di estrattivi, riferita al peso anidro del campione in esame, varia da meno dell'1% (nel legno di Pioppo) a più del 10% (in quello di Sequoia) .

In alcune specie tropicali, la loro percentuale, invece, può raggiungere comunemente il 20%. Variazioni importanti si possono, comunque, riscontrare non solo tra le diverse specie legnose ma anche all'interno di una stessa pianta, in particolare tra la porzione di alburno e quella di durame.

Alcune sostanze inorganiche, quali, ad esempio, i sali di calcio e le inclusioni di silice, non sono solubili nei solventi sopra menzionati ma vengono ugualmente considerate tra gli estrattivi in quanto non rientrano nella composizione chimica di base della parete cellulare. In quest'ottica, tutti i composti inorganici presenti nel legno (che generalmente costituiscono le sue ceneri) possono essere compresi tra gli estrattivi.

In ogni caso, anche quelli legati alla parete cellulare non partecipano come componenti strutturali della stessa.

Composizione media elementare del legno

ULTRASTRUTTURA DEL LEGNO

Le cellule del legno maturo sono prevalentemente prive di nucleo e protoplasma, anche nel caso di alberi in normale vegetazione. Il legno è, infatti, costituito da un insieme di cellule, per lo più morte, di cui resta solo la parete che, per le sue caratteristiche di composizione chimica e di struttura, ne influenza le proprietà ed il comportamento come materiale.

La gran parte dei lumi cellulari appare, pertanto, vuota in quanto nucleo e protoplasma sono presenti solo nelle prime fasi della breve vita di una cellula legnosa e scompaiono rapidamente nel corso del suo sviluppo. L'eccezione è rappresentata da poche file (2-3) di nuove cellule formatesi nel corso dell'ultima stagione vegetativa e dalle cellule parenchimatiche localizzate nelle porzioni più esterne della sezione trasversale del fusto.

Il degradamento del protoplasma delle cellule avviene, comunque, solo dopo che queste hanno subito i processi di trasformazione che le hanno rese idonee a svolgere una determinata funzione; tutti i processi di differenziazione e sviluppo si possono, infatti, verificare solo fmché le cellule sono ancora vive.

Microfibrille e struttura della parete cellulare

Il modo in cui i diversi composti organici del legno sono organizzati all'interno della parete cellulare è stato studiato applicando varie metodologie di indagine che, più in particolare, riguardano la microscopia a luce polarizzata, quella a raggi x e l'uso del microscopio elettronico.

Le più piccole unità strutturali della parete che possono essere osservabili con un microscopio elettronico sono dette microfibrille ed appaiono come elementi grossolanamente cilindrici del diametro di circa 10-30 nm. Di queste è impossibile misurare la lunghezza, in quanto sono sempre presenti in gran numero e strettamente ammassate le une alle altre, per cui l'osservazione di una singola microfibrilla non può essere seguita per tutto il suo decorso.

Le microfibrille non vanno, in ogni caso, confuse con le strutture fibrose che risultano a volte visibili al microscopio ottico e che, in quanto aggregati di microfibrille, prendono il nome di "macrofibrille". Ciascuna microfibrilla, a sua volta, è un fascio costituito da un certo numero di molecole cateniformi di cellulosa. Queste ultime sono generalmente disposte longitudinalmente (seguono, cioè, l'asse della microfibrilla) ma risultano parallele tra loro limitatamente ad alcune zone. In tali porzioni, che sono conosciute con il termine di "regioni cristalline" o "cristalliti", le molecole di cellulosa appaiono reciprocamente collegate per mezzo di legami idrogeno.

Il parallelismo delle molecole di cellulosa si alterna, poi, a zone in cui le molecole presentano una disposizione più irregolare, non risultando parallele tra loro e neppure strettamente legate; tali porzioni di basso ordine molecolare sono dette "regioni amorfe o paracristalline".

Le microfibrille si sviluppano, pertanto, con un susseguirsi di regioni cristalline ed amorfe per una lunghezza complessiva di oltre 5000 nm. In esse, le regioni cristalline presentano una lunghezza di almeno 60 nm, una larghezza di 10 nm e uno spessore di 3 nm. Il passaggio tra regioni amorfe e cristalline è graduale. Il grado di cristallinità (cioè la quantità relativa di regioni cristalline ed amorfe) è piuttosto variabile ma, in genere, elevato.

Secondo alcuni Autori, circa due terzi della cellulosa è più o meno cristallina e circa un terzo amorfa; altri ritengono, invece, che solo il 5-10% sia realmente amorfa. Va comunque tenuto presente che la misura della cristallinità è legata a difficoltà di analisi e che i risultati ottenuti con i diversi metodi di indagine sono raramente concordanti e confrontabili. La cristallinità varia, poi, dal midollo verso l'esterno e tra legno primaticcio e tardivo; sembrerebbe, inoltre, che le pareti primarie delle cellule presentino un minor grado di cristallinità e regioni cristalline di minor dimensioni rispetto alle pareti secondarie.

Le microfibrille sono anche descritte come una struttura composta da un'anima di natura cristallina circondata da una guaina amorfa o paracristallina. Su tale modello, tuttavia, non vi è un accordo generale. Secondo un'altra teoria le microfibrille sarebbero, formate da unità filamentose di dimensioni inferiori definite "fibrille elementari". Queste avrebbero un diametro di circa 3 nm e ciascuna deriverebbe dall'aggregazione trasversale di circa 60 catene cellulosiche. Due o più di tali fibrille elementari sarebbero, poi, riunite in fasci a formare una microfibrilla.

Tra le microfibrille esistono interstizi o spazi intermicrofibrillari che hanno una larghezza di circa 10 nm, mentre all'interno delle stesse microfibrille sono presenti spazi intramicrofibrillari della larghezza di circa 1 nm. Detti spazi sono totalmente o parzialmente occupati da sostanze di natura non-cellulosica - emicellulose, lignina, sostanze pectiche - che sono collettivamente dette "sostanze incrostanti", mentre la cellulosa costituisce l'ossatura della parete cellulare.

Le sostanze non-cellulosiche non formano microfibrille . La lignina può, tuttavia, essere associata alla fase amorfa della cellulosa e le catene emicellulosiche possono, a volte, sostituire alcune catene cellulosiche di una microfibrilla.

Le molecole delle emicellulose sono parallele a quelle di cellulosa e collegano quest'ultima e la lignina che è, invece, amorfa.

Orientazione delle microfibrille: strati della parete cellulare

La disposizione delle microfibrille all'interno della parete non è omogenea.

Differenze di orientazione consentono di distinguere la parete primaria e quella secondaria di cellule mature e di riconoscere i diversi strati che compongono quest'ultima.

Prima dell'impiego del microscopio elettronico, Bailey e Kerr avevano determinato, con il microscopio a luce polarizzata e mediante colorazione allo iodio delle sezioni in esame, che la parete secondaria risulta composta di tre strati, che essi designarono come strato esterno (S₁), mediano (S₂) e interno (S₃), ove quest'ultimo è lo strato a contatto con il lume cellulare.

Quando si esamina la sezione di un campione di legno con il microscopio a luce polarizzata, lo strato esterno (S₁) e quello interno (S₃) appaiono brillanti mentre quello mediano appare di colore scuro. Tale effetto è dovuto

alla diversa orientazione delle microfibrille (cristalliti) nei vari strati.

Le misurazioni della posizione di estinzione, effettuate con il microscopio a luce polarizzata, hanno permesso di dimostrare che le microfibrille formano spirali piatte (circa trasversali all'asse cellulare) negli strati S₁ e S₃ e

spirali ripide (quasi parallele all'asse cellulare) nello strato S₂. La parete primaria risulta difficilmente visibile perché, in genere, è molto sottile e non si distingue dallo strato S₁.

L'analisi della diffrazione dei raggi x conferma i risultati del microscopio a luce polarizzata relativamente alla disposizione delle microfibrille all'interno della parete cellulare.

Questa tecnica è però poco usata in quanto, per produrre un diagramma ben distinto, occorre posizionare un numero considerevole di cellule sotto il fascio di radiazioni ed i risultati sono condizionati dalla disposizione delle microfibrille all'interno dello strato S₂, che è quello di maggior spessore.

Il microscopio elettronico costituisce, in ogni caso, il mezzo più idoneo per lo studio dell'ultrastruttura della parete cellulare. Oltre all'osservazione diretta delle microfibrille e di altre caratteristiche cellulari, tale strumento può rivelarsi particolarmente adatto per esaminare la cristallinità della parete: in presenza di sostanze di natura cristallina, le radiazioni elettroniche producono, infatti, modelli di diffrazione simili a quelli registrabili con l'impiego di raggi x.

Le microfotografie ottenute con il microscopio elettronico rivelano che la lamella mediana non ha una struttura particolare, almeno per quanto è possibile osservare dal livello di risoluzione dello strumento.

La parete primaria presenta, invece, una tessitura delle microfibrille piuttosto lassa, con differenze di una certa importanza tra la sua superficie interna e esterna: la prima

ha un'orientazione delle microfibrille prevalentemente trasversale, mentre nella seconda esse appaiono piuttosto disperse. La parete primaria è comunque molto sottile e non evidenzia una stratificazione complessa come la parete secondaria.

Nella parete secondaria le microfibrille sono strettamente addensate.

Lo strato Si è fine e consiste di 4-6 lamelle (strati o "pacchetti" di microfibrille). Esso presenta una tessitura

microfibrillare incrociata in cui le lamelle evidenziano una disposizione elicoidale alternata (destrorsa e sinistrorsa). Tali eliche, infatti, sono rispettivamente note come di tipo S e Z, ove S indica che la spirale formata dalle microfibrille si sviluppa verso l'alto a sinistra di un ipotetico osservatore e Z che si sviluppa a destra. In ciascuna lamella l'inclinazione dell'elica forma un angolo di circa 50-90° rispetto all'asse longitudinale della cellula.

Lo strato S₂ è molto spesso, specialmente nelle tracheidi del legno tardivo e nelle fibre. Esso è composto di

varie lamelle (30-150), ciascuna dello spessore di circa 60-70 nm. Normalmente, man mano che vengono depositate, le nuove lamelle presentano una stessa orientazione microfibrillare (non incrociata), ma sono state anche registrate deviazioni sia nell'orientazione che nella loro direzioni.

Le microfibrille presentano un alto grado di parallelismo in tutte le lamelle (con solo una lieve dispersione) e decorrono approssimativamente parallele all'asse cellulare senza superare, in genere, un angolo di inclinazione di 30°. Le tracheidi di gran parte delle Conifere presentano un'orientazione elicoidale di tipo Z. Lo strato S₃ è, generalmente, più sottile di quello S₁ ed è anch'esso formato da poche lamelle (fino a 6) nelle

quali l'angolo delle microfibrille varia da circa 50 a 90° e l'orientazione è ugualmente alternata tra il tipo S e Z (anche se, secondo alcuni anatomisti, sarebbe solo di tipo Z). Le microfibrille presentano, inoltre, una tessitura relativamente lassa se confrontata con quella dello strato S2 e sono spesso caratteristicamente unite a formare

aggregati che si intrecciano tra loro, di solito con un angolo di 20-30° ma, a volte, anche di 50°.

In taluni casi lo strato S₃ può mancare anche se, all'osservazione con il microscopio a luce polarizzata, la

mancanza di birifrangenza dello strato più interno non significa necessariamente che lo strato S₃ sia assente. Ciò può essere dovuto, infatti, ad un'orientazione più ripida delle sue microfibrille.

Il passaggio tra i vari strati della parete è graduale ed è, peraltro, possibile riscontrare alcune lamelle con orientazione intermedia tra S₁ e S₂, come pure tra S₂ e S₃.

L'organizzazione della parete cellulare appena descritta è basata sostanzialmente su osservazioni effettuate sulle tracheidi delle Conifere e sulle fibre delle Latifoglie.

Gli elementi vasali e le cellule parenchimatiche presentano variazioni che sono più difficili da investigare.

Lo spessore dei vari strati della parete cellulare può essere misurato al microscopio elettronico su sezioni trasversali ultrasottili di tessuto legnoso.

Misurazioni eseguite su tracheidi del legno di Conifere evidenziano che la gran parte dello spessore della parete (80% o più) è dovuto allo strato S₂.

Tale strato è ugualmente il più spesso anche nel caso degli elementi vasali (nel legno di Faggio, ad esempio, costituisce il 50% circa dello spessore dell'intera parete), mentre si registrano molte eccezioni nel caso delle cellule parenchimatiche ove, a volte, gli strati Si ed S₃ risultano relativamente più spessi dello strato S₂.

L'orientazione delle microfibrille nei vari strati della parete cellulare può essere osservata direttamente con il microscopio elettronico, sebbene esista la difficoltà di poter mettere a fuoco solo una limitata porzione della cellula e pertanto non è sempre facile riferire l'orientazione osservata a quella dell'asse cellulare. Gli angoli microfibrillari possono anche essere misurati con tecniche di microscopia a raggi x e a luce polarizzata. In relazione alle proprietà del legno, il dato più importante è il valore dell'angolo formato dalle microfibrille dello strato S₂; esso può essere misurato anche con un microscopio ottico osservando l'inclinazione degli orifizi delle punteggiature quando questi si presentano allungati e deviati rispetto all'asse cellulare. Tale angolo è generalmente piccolo, in quanto le microfibrille dello strato S₂ risultano pressoché parallele all'asse cellulare. Tuttavia, i valori angolari risultano influenzati dalle dimensioni della cellula, tant'è che cellule più corte e larghe fanno registrare una maggiore inclinazione. La presenza di molte punteggiature (nel caso, ad esempio, delle pareti radiali delle tracheidi assiali del legno delle Conifere e sulle pareti degli elementi vasali delle Latifoglie) determina, infine, deviazioni nell'orientazione delle microfibrille ed angoli di valore più elevato.

Ispessimenti elicoidali e placche di perforazione

Al microscopio elettronico, gli ispessimenti elicoidali, caratteristici di un numero relativamente ridotto di specie legnose, appaiono composti di microfibrille che rivestono lo strato S₃ della parete secondaria.

Sulla superficie di tali ispessimenti le microfibrille si presentano intrecciate come quelle dello strato S₃ ma la loro orientazione non sempre coincide.

In alcune specie legnose (Tasso) gli ispessimenti elicoidali non sono strettamente legati alle microfibrille dello strato S₃, in altre (Douglasia, Abete rosso, Larice) presentano, invece, un'ampia base che si ancora saldamente ad esse.

Il microscopio elettronico è stato anche utilizzato nello studio delle placche di perforazione degli elementi vasali ove è stato fatto osservare che le barre trasversali delle perforazioni scalariformi potrebbero essere in stretta relazione con le microfibrille.

Distribuzione dei componenti all'interno della parete

La determinazione della natura chimica dei composti organici che compongono la parete cellulare viene eseguita, secondo vari metodi, su campioni di legno ridotti, generalmente, alle dimensioni di particelle minute (farina di legno) e dopo che sono stati eliminati eventuali estrattivi.

Per determinare la distribuzione dei suddetti composti all'interno della parete si richiedono, invece, tecniche diverse. In campo botanico, ad esempio, si applicano opportuni coloranti sulle sottili sezioni di un campione di legno ottenute al microtomo. A questo scopo possono essere utilizzate varie combinazioni di reagenti che determinano colorazioni diverse della cellulosa e della lignina. Con l'uso di coloranti è anche possibile seguire l'evoluzione della differenziazione chimica della parete cellulare da quando questa si separa dal cambio fino al completamento della sua lignificazione.

Tecniche analoghe sono state usate per la colorazione selettiva dei vari strati che compongono la parete. L'applicazione del reagente "blu Victoria" (in combinazione con un adeguato rigonfiamento del legno) determina, ad esempio, una colorazione blu della parete primaria e dello strato S₃ e una colorazione rossa dello strato S₂ (ciò, tra l'altro, ha permesso di dimostrare che lo strato S₃ riveste effettivamente la camera delle punteggiature areolate).

In aggiunta alle diverse colorazioni, la distribuzione dei composti della parete è stata studiata con tecniche quali la cromatografia, la spettrografia, l'analisi chimica di cellule isolate a vari stadi del loro sviluppo, la dissoluzione dei composti di natura diversa dalla lignina, l'analisi microscopica seguita da quella chimica, l'analisi microscopica con luce ultravioletta e fluorescente.

In alcuni casi, si è fatto anche ricorso all'attacco biologico del legno da parte di appositi funghi in quanto i vari componenti la parete possono essere alterati da funghi di tipo diverso.

In base ai risultati ottenuti con le molteplici tecniche utilizzate e da quanto è emerso dalle osservazioni effettuate con il microscopio elettronico è possibile trarre alcune importanti conclusioni.

Distribuzione % dei principali costituenti della parete cellulare del legno di latifoglie.

La lamella mediana non contiene cellulosa ed è composta prevalentemente da lignina.

La concentrazione di quest'ultima è maggiore in prossimità degli angoli derivanti dall'incontro tra le diverse cellule e sulle pareti radiali piuttosto che su quelle tangenziali (motivo per cui la sua maggior rigidezza determina un minor ritiro lungo tale direzione).

La parete primaria, inizialmente formata soprattutto da cellulosa, acquista una consistente deposizione di lignina durante il processo di lignificazione. Ne consegue che la lamella mediana composta (formata dalla lamella mediana e dalle due pareti primarie delle cellule adiacenti) presenta un contenuto di lignina molto elevato.

Nella lamella mediana composta vi è, inoltre, un'alta concentrazione di sostanze pectiche.

Il contenuto di lignina nella parete secondaria non è molto elevato e risulta pari a circa il 10-20%. Esso varia nei tre strati della parete secondaria. I risultati relativi alle modalità di variazione, tuttavia, non

concordano. Secondo alcune ricerche vi sarebbe una riduzione graduale verso il lume cellulare (con una diminuzione meno pronunciata nelle Conifere rispetto alle Latifoglie), mentre altri Autori avrebbero riscontrato un aumento di concentrazione nello strato S3.

Come già detto, la lignina è localizzata tra le microfibrill e. Inoltre, secondo quanto dimostrerebbero i modelli concentrici ottenuti con le moderne tecniche di solubilità differenziata, nella parete secondaria essa sembrerebbe disporsi tra le lamelle sotto forma di strati finissimi, dello spessore di circa 100 nm, decorrenti tangenzialmente e formanti una struttura che mantiene rigida la connessione tra i vari pacchetti di microfibille.

La proporzione di emicellulose è particolarmente elevata nella lamella mediana e nella parete primaria, ove il contenuto di cellulosa è più basso.

La cellulosa è concentrata soprattutto nella parete secondaria.

Uno studio dettagliato sulla distribuzione relativa di cellulosa e di emicellulose nelle pareti delle tracheidi e delle fibre di Pino silvestre, Abete rosso e Faggio ha evidenziato che la cellulosa partecipa per il 40% e le emicellulose per il 60% nella lamella mediana composta. Nella parete secondaria il contenuto di cellulosa varia dal 50 a più del 60% a fronte, quindi, di una diminuzione complementare di emicellulose.

Differenze sono state riscontrate anche tra i diversi tipi di cellule: nel legno di Betulla, ad esempio, le cellule parenchimatiche presentano una percentuale molto bassa di cellulosa (14%) rispetto a quella di emicellulose. In altri tipi di cellule (nelle fibre e negli elementi vasali della stessa Betulla o nelle tracheidi assiali e radiali del legno di Pino silvestre) la percentuale di cellulosa e di emicellulose risultano pressoché identiche.

Sussistono, inoltre, differenze di composizione chimica tra legno primaticcio e tardivo, così come tra campioni di legno prelevati ad una diversa distanza dal midollo.

Il tipo di legame esistente tra cellulosa e lignina, infine, non è ancora del tutto chiaro. Alcuni ricercatori ritengono che la cellulosa sia meccanicamente avvolta dalla lignina, mentre altri suggeriscono che il legame sia, almeno in parte, di tipo chimico.

La cellulosa è legata chimicamente con le emicellulose e molti ritengono che anche il legame tra emicellulose e lignina sia dello stesso tipo.

Gli estrattivi non rientrano tra le sostanze che compongono la parete cellulare. Essi risultano depositati nelle cavità cellulari e della parete ma sono anche presenti nello strato verrucoso e, a volte, possono occupare spazi intercellulari.

Influenza dei componenti chimici e della struttura della parete sulle proprietà del legno

Il contributo dei componenti chimici del legno nei confronti delle sue proprietà e dei suoi impieghi è un argomento di particolare importanza per una migliore conoscenza del materiale legno.

Come già riferito, l'elevato contenuto di cellulosa rende il legno, innanzi tutto, una materia prima ricercata per la trasformazione chimica nell'industria della carta e di molti altri prodotti.

Le caratteristiche di resistenza meccanica del legno sono dovute, invece, all'insieme dei suoi componenti chimici.

La cellulosa, ad esempio, è responsabile della sua elevatissima resistenza a trazione assiale per via delle sue molecole cateniformi e della disposizione longitudinale (cioè parallela all'asse del fusto) delle microfibrille che compongono lo strato S2 (di maggior spessore) della parete secondaria.

Le emicellulose e la lignina legano insieme le varie cellule e sostengono l'ossatura cellulosica, contribuendo a determinare le particolari caratteristiche di rigidezza e resistenza a compressione del legno. Esse svolgono, tra l'altro, un ruolo importante nel processo di trasmissione e dissipazione degli sforzi mentre la loro rimozione riduce drasticamente la resistenza del legno umido. Sperimentazioni eseguite con legno di Faggio, Betulla e Pioppo hanno dimostrato, infatti, che la rimozione della lignina riduce la resistenza (a trazione assiale, compressione e flessione statica) del legno umido a circa il 10-20% dei valori registrabili in condizioni normali. La resistenza del legno successivamente essiccato ha evidenziato, invece, un recupero proporzionale alla superficie unitaria del tessuto legnoso residuo. Il diverso comportamento del legno allo stato essiccato da quello allo stato umido è dovuto al fatto che nella prima condizione le sostanze pectiche, le emicellulose e la lignina continuano a mantenere le varie cellule strettamente unite tra loro mentre, allo stato umido, esse non sono più in grado di svolgere tale funzione con la stessa efficienza per cui, venendo in parte a mancare la coesione reciproca, si verifica una drastica perdita di resistenza. Tale fenomeno è attribuibile soprattutto alle proprietà adesive della lignina. Le singole cellule, peraltro, sono soggette ad una minor riduzione di resistenza proprio perché le sostanze leganti (in particolare la lignina) sono in gran parte localizzate all'interfaccia tra le varie cellule.

L'igroscopicità del legno (cioè l'affinità per l'acqua e gli altri liquidi polari) è ugualmente dovuta alla sua composizione chimica, in particolare alla presenza di radicali -OH liberi sulle catene di cellulosa ed a quella di altri composti idrofili come le stesse sostanze pectiche e le emicellulose.

In conseguenza di un aumento della sua umidità, il legno è sogge tto a variazioni dimensionali che inducono il fenomeno del rigonfiamento con uno sviluppo di forze di tale intensità da causare la rottura non solo del legno ma anche di eventuali materiali molto più resistenti che si oppongono alle suddette variazioni (il taglio dei grossi blocchi nelle cave di marmo, ad esempio, in passato era effettuato tramite cunei di legno che, dopo essere stati inseriti nelle fessurazioni del minerale, venivano opportunamente inumiditi). Ciascun monomero della molecola cateniforme di cellulosa presenta, infatti, tre ossidrili disponibili per altrettanti legami idrogeno che generalmente si formano per aggregazione trasversale tra catene molecolari adiacenti.

Con l'aumento dell'umidità del legno, tali siti attivi possono venire occupati da molecole d'acqua (inizialmente sotto forma di un sottile strato monocellulare che aumenta man mano di volume) le quali, a partire dalle regioni amorfe, provocano una "delaminazione" tra le microfibrille e lo sviluppo di un importante rigonfiamento in senso trasversale. Quando, invece, il legno perde umidità, parte dei siti potenzialmente attivi si saturano reciprocamente in maniera irreversibile, per cui le curve relative a cicli successivi di desorbimento ed adsorbimento di acqua presentano un certo grado di isteresi.

Secondo un'opinione diffusa presso molti operatori del settore, il legno stagionato naturalmente sarebbe dimensionalmente più stabile di quello che ha subì to un trattamento di essiccazione artificiale; ciò non corrisponde al vero se l'essiccazione viene condotta razionalmente seguendo opportuni accorgimenti, tuttavia è possibile che la frequente e graduale variazione dell'umidità attorno ad un valore di equilibrio, registrabile soprattutto nelle fasi finali del processo di stagionatura, provochi una serie di micromovimenti trasversali ("a fisarmonica") del legno stesso che favorirebbe, per le ragioni sopra esposte, il conseguimento di una maggiore stabilità dimensionale.

La disposizione quasi trasversale delle microfibrille degli strati Si ed S3 esercita, peraltro, un'azione vincolante e di contenimento nei confronti delle variazioni dimensionali in quella direzione. Infatti, se tutte le microfibrille fossero quasi parallele all'asse del fusto, come quelle dello strato S2, i movimenti del legno risulterebbero molto più accentuati.

Anche la lignina impartisce una certa stabilità dimensionale al legno in quanto "difende", per così dire, la cellulosa occupando spazi della parete che altrimenti potrebbero essere disponibili per le molecole d'acqua. Le cellule non- lignificate presentano, infatti, un maggior rigonfiamento rispetto a quelle che hanno subito tale modificazione chimica.

Il comportamento anisotropo del legno nei confronti del rigonfiamento (o, in caso di perdita di umidità, del ritiro) - cioè le trascurabili variazioni dimensionali in direzione assiale rispetto a quelle, molto più elevate, che si registrano in senso trasversale alla fibratura - è fondamentalmente dovuto alla minore energia dei legami laterali (di tipo ionico) delle microfibrille di cellulosa rispetto alla solidità dei legami glucosidici longitudinali (di tipo covalente) nonché all'orientazione delle microfibrille dello strato S2 della parete secondaria.

L'angolazione delle microfibrille nello strato S2 è, a questo proposito, una caratteristica del legno molto importante nei riguardi delle sue proprietà. Le deviazioni dalla direzione parallela all'asse cellulare determinano, infatti, una variazione dei valori di rigonfiamento e di ritiro assiale ed una diminuzione della resistenza del legno lungo tale direzione. L'angolo formato dalle microfibrille influenza, inoltre, la conducibilità termica, acustica ed altre proprietà del legno che possono risultare particolarmente importanti nel caso di alcuni sistemi di indagine non-distruttiva connessi alla valutazione qualitativo-prestazionale di vari assortimenti o materiali derivati.

Il grado di cristallinitàha anch'esso una discreta importanza in quanto è legato a molte proprietà del legno, delle fibre (singole cellule) e della carta, nell'ambito delle quali risultano particolarmente influenzate la resistenza a flessione, il ritiro e il rigonfiamento, l'incollaggio delle fibre, la colorazione, la resistenza allo strappo e la resistenza al degradamento chimico.

Gli estrattivi determinano, parimenti, effetti importanti e sono responsabili di alcune differenze riscontrabili tra le varie specie legnose. Essi, infatti, possono influenzare il colore, l'odore, il gusto, la fluorescenza, la durabilità, l'infiammabilità, le relazioni legno-acqua, l'incollaggio, la produzione di pasta-legno e altre proprietà. La presenza di estrattivi tossici, ad esempio, impartisce una maggior durabilità naturale al legno. Un legno con relativamente pochi estrattivi può trattenere un maggior volume di acqua all'interno delle sue cellule rispetto ad un altro con un maggior contenuto di tali sostanze, mentre la loro rimozione aumenta la capacità di imbibizione delle cellule stesse, i valori di ritiro e rigonfiamento ed influenza le altre relazioni legno-acqua. Alcuni estrattivi provocano, inoltre, l'usura e la corrosione dei taglienti (a volte anche a causa della loro acidità) ed influenzano negativamente la polimerizzazione delle miscele collanti o il buon esito di alcuni trattamenti di fmitura. Il processo e le rese di produzione della pasta- legno risultano, ugualmente, molto influenzate dalla presenza di estrattivi, che si riflette su alcune reazioni chimiche, sul consumo dei prodotti sbiancanti e dell'acqua usata o, nel caso della resina contenuta in molti legni di Conifere, può causare inconvenienti nei confronti del corretto funzionamento di alcune apparecchiature.

La polvere che si origina durante la lavorazione di certi legnami, soprattutto tropicali, a causa della natura chimica di alcuni estrattivi in essa contenuti, può, infine, determinare seri problemi alla salute degli addetti alle operazioni di trasformazione industriale (dermatiti, asma e altri disturbi).

Alcuni estrattivi, come ad esempio certe resine e tannini, d'altra parte, costituiscono di per sé prodotti di un certo valore commerciale.