Bæredygtigt strukturelt materiale til plasterstatning

Plast giver os en letvægts, stærkt og billigt materiale at bruge, men det har også forårsaget plastikapokalypsen. Meget af det ikke-genanvendte plastikaffald ender i havet, Jordens sidste synk. Nedbrudt af bølger, sollys og havdyr, en enkelt plastikpose kan blive til 1,75 millioner mikroplastikfragmenter. Disse mikroplastik kan endelig ende i vores kroppe gennem de fisk, vi spiser, eller det vand, vi drikker.

Under den langsigtede udvikling af de fleste planter på jorden, cellulosebaserede materialer er udviklet som deres egne strukturelle støttematerialer. Cellulose i planter findes hovedsageligt i form af cellulose nanofibre (CNF), som har fremragende mekaniske og termiske egenskaber. CNF, som kan stamme fra planter eller produceres af bakterier, er en af ​​de mest rigelige helt grønne ressourcer på Jorden. CNF er en ideel byggesten i nanoskala til at konstruere makroskopiske højtydende materialer, da det har højere styrke (2 GPa) og modul (138 GPa) end Kevlar og stål og lavere termisk udvidelseskoefficient (0,1 ppm K ^-1 ) end silicaglas. Baseret på denne biobaserede og bionedbrydelige byggesten, konstruktionen af ​​bæredygtige og højtydende strukturelle materialer vil i høj grad fremme udskiftningen af ​​plastik og hjælpe os med at undgå plastikapokalypsen.

I dag, et hold ledet af prof. Shu-Hong Yu fra University of Science and Technology of China (USTC) rapporterer om et højtydende bæredygtigt strukturmateriale kaldet cellulose nanofiberplade (CNFP) (fig. 1a og c), som er konstrueret af bio- baseret CNF (fig. 1b) og klar til at erstatte plast på mange områder. CNFP har en høj specifik styrke (~198 MPa/(Mg m ^-3 ))—fire gange højere end for stål og højere end for traditionel plast og aluminiumslegering. Ud over, CNFP har en højere specifik slagfasthed (~67 kJ m ^-2 /(Mg m ^-3 )) end aluminiumslegering og kun halvdelen af ​​dens massefylde (1,35 g cm ^-3 ).

I modsætning til plast eller andre polymerbaserede materialer, CNFP udviser fremragende modstandsdygtighed over for ekstreme temperaturer og termiske stød. Den termiske udvidelseskoefficient for CNFP er lavere end 5 ppm K-1 fra -120 °C til 150 °C, som er tæt på keramiske materialer, meget lavere end typiske polymerer og metaller. I øvrigt, efter 10 gange med hurtigt termisk chok mellem en 120 °C ovn og -196 °C flydende nitrogen, CNFP bevarer sin styrke. Disse resultater viser dens enestående termiske dimensionsstabilitet, hvilket gør det muligt for CNFP at have et stort potentiale til brug som et strukturelt materiale under ekstreme temperaturer og skiftevis køling og opvarmning. På grund af dets brede udvalg af råmaterialer og bio-assisteret synteseproces, CNFP er et lavprismateriale - kun 0,5 USD/kg, hvilket er lavere end de fleste plastik. Med lav tæthed, enestående styrke og sejhed, og stor termisk dimensionel stabilitet, alle disse egenskaber ved CNFP overgår de traditionelle metallers egenskaber, keramik og polymerer (fig. 1d og e), gør det til et højtydende og miljøvenligt alternativ til teknik, især til rumfartsapplikationer.

CNFP har ikke kun magten til at erstatte plastik og redder os fra at drukne i det, men har også et stort potentiale som den næste generation af bæredygtige og lette konstruktionsmaterialer.

Undersøgelsen er rapporteret i Videnskabens fremskridt .