Cellulose nanokrystaller muligt grønt vidundermateriale

De samme bittesmå cellulosekrystaller, der giver træer og planter deres høje styrke, let vægt og modstandsdygtighed, har nu vist sig at have stålets stivhed.

Nanokrystallerne kan bruges til at skabe en ny klasse af biomaterialer med vidtgående anvendelser, såsom styrkelse af byggematerialer og bilkomponenter.

Beregninger ved hjælp af præcise modeller baseret på cellulosens atomare struktur viser, at krystallerne har en stivhed på 206 gigapascal, som kan sammenlignes med stål, sagde Pablo D. Zavattieri, en Purdue University assisterende professor i civilingeniør.

"Dette er et materiale, der viser virkelig fantastiske egenskaber, sagde han. Det er rigeligt, vedvarende og produceret som affald i papirindustrien."

Resultaterne er detaljeret i et forskningspapir, der er vist på forsiden af ​​december-udgaven af ​​tidsskriftet Cellulose .

"Det er meget svært at måle egenskaberne af disse krystaller eksperimentelt, fordi de er virkelig små, " sagde Zavattieri. "For første gang, vi forudsagde deres egenskaber ved hjælp af kvantemekanik."

Nanokrystallerne er omkring 3 nanometer brede gange 500 nanometer lange - eller omkring 1/1, 000. bredden af ​​et sandkorn - hvilket gør dem for små til at studere med lysmikroskoper og svære at måle med laboratorieinstrumenter.

Papiret er forfattet af Purdue ph.d.-studerende Fernando L. Dri; Louis G. Hector Jr., en forsker fra Chemical Sciences and Materials Systems Laboratory ved General Motors Research and Development Center; Robert J. Moon, en forsker fra U.S. Forest Service's Forest Products Laboratory; og Zavattieri.

Resultaterne repræsenterer en milepæl i forståelsen af ​​den fundamentale mekaniske opførsel af cellulosenanokrystallerne.

"Det er også det første skridt mod en flerskala modelleringstilgang til at forstå og forudsige individuelle krystallers adfærd, samspillet mellem dem, og deres interaktion med andre materialer, " sagde Zavattieri. "Dette er vigtigt for designet af nye cellulosebaserede materialer, da andre forskningsgrupper overvejer dem til en lang række anvendelser, lige fra elektronik og medicinsk udstyr til strukturelle komponenter til bilindustrien, civil- og rumfartsindustrien."

Cellulose nanokrystallerne repræsenterer et potentielt grønt alternativ til kulstof nanorør til forstærkning af materialer som polymerer og beton. Anvendelser for biomaterialer fremstillet af cellulosenanokrystaller kan omfatte bionedbrydelige plastikposer, tekstiler og sårforbindinger; fleksible batterier fremstillet af elektrisk ledende papir; nye teknologier til udlevering af lægemidler; gennemsigtige fleksible skærme til elektroniske enheder; specielle filtre til vandrensning; nye typer af sensorer; og computerhukommelse.

Cellulose kan komme fra en række biologiske kilder, herunder træer, planter, alger, havlevende organismer kaldet sækdyr, og bakterier, der skaber et beskyttende væv af cellulose.

"Med det i tankerne, cellulose nanomaterialer er i sagens natur vedvarende, bæredygtig, biologisk nedbrydelige og kulstofneutrale ligesom de kilder, hvorfra de blev udvundet, " sagde Moon. "De har potentialet til at blive behandlet i industriel skala mængder og til lave omkostninger sammenlignet med andre materialer."

Fremstilling af biomaterialer kan være en naturlig forlængelse af papir- og biobrændstofindustrien, ved hjælp af teknologi, der allerede er veletableret for cellulosebaserede materialer.

"Nogle af papirindustriens biprodukter går nu til fremstilling af biobrændstoffer, så vi kunne bare tilføje en anden proces for at bruge den resterende cellulose til at lave et kompositmateriale, " sagde Moon. "Cellulosekrystallerne er sværere at nedbryde til sukker for at lave flydende brændstof. Så lad os lave et produkt ud af det, bygger på den eksisterende infrastruktur i papirmasse- og papirindustrien."

Deres overflade kan modificeres kemisk for at opnå forskellige overfladeegenskaber.

"For eksempel, du måske ønsker at modificere overfladen, så den binder stærkt med en forstærkende polymer for at lave en ny type sejt kompositmateriale, eller du vil måske ændre de kemiske egenskaber, så den opfører sig anderledes med omgivelserne, " sagde Moon.

Zavattieri planlægger at udvide sin forskning til at studere egenskaberne af alfa-chitin, et materiale fra skaller af organismer, herunder hummere, krabber, bløddyr og insekter. Alfa-chitin ser ud til at have lignende mekaniske egenskaber som cellulose.

"Dette materiale er også rigeligt, vedvarende energi og affald fra fødevareindustrien, " han sagde.