Kan dette invasive eksotiske skadedyr lave bedre materialer til industri og medicin?

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har kombineret derivater af to overskydende materialer-træmasse og udtørrede stykker af et invasivt eksotisk skadedyr-for at danne et nyt kompositmateriale, der er fleksibelt, bæredygtig, ikke-toksisk og UV-lysreflekterende. Materialet, beskrevet i et nyt papir, der blev offentliggjort i Avancerede funktionelle materialer , snart kunne bruges i en lang række forskellige applikationer, herunder emballage til fødevarer, biomedicinsk udstyr, bygningskonstruktion og design af biler, lastbiler og både.

Nøglen til dette usandsynlige ægteskab mellem træ og skadedyr er et motiv kaldet "Bouligand -strukturen, "hvor molekyler stabler sig i en snoet form, ligner små vindeltrapper. Forskere har lært, at Bouligand -strukturen giver en vis form for modstandsdygtighed over for revner; kraften ved et slag styres af de små, nanoseret, trappelignende vendinger gennem en række omveje. Frem for at knække lige igennem, energien fra et bump eller styrt er således afbøjet gennem en slags kronglet vej, efterlader det samlede materiale intakt og funktionelt.

Selvom træ ikke har en naturlig Bouligand -struktur, det har tiltrukket forskere i årtier, dels fordi der er en rigelig mængde materiale tilbage efter forarbejdning af papir og kommercielt tømmer.

"Ideen om at lave nyttige produkter ud af træmasse har længe fascineret mange mennesker i mange forskellige industrier, "siger Jeff Gilman, der leder sammensatte projektteam hos NIST.

Ved at vaske frugtkødet med syre for at fjerne dets lignin og amorfe cellulose, forskere opdagede for flere år siden, at de kunne skabe en mælkeagtig løsning, der i sidste ende tørrede for at danne et nyt materiale med en Bouligand -struktur. Nøglekomponenten i denne opløsning var små krystallinske stænger af cellulose, kendt som cellulosananokrystaller eller nanocellulose. Imidlertid, på egen hånd, de pulpafledte Bouligand-film er sprøde og holder ikke meget vægt.

NIST-teamet antog, at en kombination af de korte træ-afledte nanocellulosestænger med et andet naturmateriale med længere krystallinske stænger ville resultere i noget nyt, der ville være utrolig stærkt og fleksibelt. Med passende tilsætningsstoffer, dette nye materiale kunne bruges til at skabe film, der kunne bremse diffusionen af ​​vand og ilt.

"Det rigtige produkt, hvis udviklet, kunne bruges i alt fra luftfartskompositter til emballage, der ville holde fødevarer friske, "Sagde Gilman.

En mulighed for det nye kompositmateriale:kroppe af et udtørret vanddyr kaldet en tunika, der betragtes som skadedyr i nogle lande og en lækker godbid i andre.

I mange dele af Asien, de brune vanddyr ( Styela clava ) tilberedes og serveres ofte i krydrede saucer. Men uden naturlige rovdyr til stede for at spise dem i nye miljøer, deres befolkning begynder at vokse til et overordentligt stort antal, der til sidst tilstopper bådmotorer og fiskeredskaber, udkonkurrerede indfødte fisk, reducere sunde planktonpopulationer og ødelægge og ødelægge produktive skaldyrsbed. Nogle miljøledere mener, at det kan tjene et gavnligt formål at finde en måde at fjerne og bruge dem som en ressource på. At høste dem er en mulighed. Som en østers, indersiden af ​​en tunika betragtes som den velsmagende bit. Ydersiden er normalt bare smidt væk, hvilket betyder, at der kunne være en klar kilde til dette materiale i områder, hvor de ofte tilberedes.

Hvad der specifikt fascinerede NIST -forskerne, imidlertid, var tunikaens indre struktur, som var lavet af meget lang, stærkt krystallinsk nanocellulose. Disse var forskellige fra de kortere krystaller, der findes i træ.

"Tunikaer har stået ud som guldstandarden for deres fysiske egenskaber, "sagde Johan Foster fra Virginia Tech University, som er et af kun en håndfuld teams, der arbejder med tunikat høst og forskning rundt om i verden. Foster samlede og leverede tunikaerne til NIST -projektet fra en havn i Vestfrankrig, hvor dyrene betragtes som en gener.

Nogle forskere havde antaget, at et komposit, der udelukkende var fremstillet af lang krystallinsk tunikat nanocellulose, ville være utrolig stærk og sej. Imidlertid, ved at teste tørrede blandede tunika/trækompositmaterialer, hovedforfatter Bharath Natarajan var i stand til at identificere det nøjagtige punkt med størst sejhed.

"Hvis du putter en lille tunika i kompositten af ​​træmasse, det gør det lidt stivere, og den går ikke så hurtigt i stykker og bliver mere fleksibel, "Natarajan sagde." Put 10 procent, og det er dobbelt så stærkt. Hvis din blanding er 30 procent tunikat og 70 procent træmasse, den resulterende komposit er 15-20 gange hårdere. Men efter det, du ser virkelig ikke en forbedring i styrke, og der er en reduktion i sejhed. "

Tunikaer er rigelige, men forbliver dyre at behandle, så nøjagtigt at vide, hvor meget der skal tilføjes, er nøglen til at skalere deres brug i fremtiden, og for at holde de resulterende produkter til en overkommelig pris.

Tilføjelse af tunikaerne fik også nanokrystallerne til at sno sig på en anden måde og fremskyndede strukturdannelsen i træmassen. Det dannede også et mønster, der var strammere og tættere, gør det nye kompositmateriale UV-reflekterende.

"Mange materialer begynder at nedbrydes, hvis de udsættes for solen i lang tid, "sagde Gilman." Dette materiale kan potentielt bruges som belægning på andre overflader for at reflektere lys og forlænge holdbarheden. "

I de kommende år, Natarajan og hans team vil fortsætte med at teste måder, deres nye blanding af tunikat-træ kan bruges til at fremstille modstandsdygtige, fleksible og UV-reflekterende kompositter til brug ved fremstilling af bæredygtige, lette biler og rumfartøjer, blandt andre produkter.

Denne historie er genudgivet med tilladelse til NIST. Læs den originale historie her.