Kunne stærkere, hårdere papir erstatte metal?

Forskere ved University of Maryland opdagede for nylig, at papir fremstillet af cellulosefibre er hårdere og stærkere, jo mindre fibrene bliver. I lang tid, ingeniører har søgt et materiale, der både er stærkt (modstandsdygtigt over for ikke-genoprettelig deformation) og hårdt (tolerant over for skader).

"Styrke og sejhed er ofte eksklusive for hinanden, " sagde Teng Li, lektor i maskinteknik ved UMD. "For eksempel, et stærkere materiale har en tendens til at være sprødt, som støbejern eller diamant."

UMD-teamet forfulgte udviklingen af ​​et stærkt og sejt materiale ved at udforske de mekaniske egenskaber af cellulose, den mest udbredte vedvarende bioressource på jorden. Forskere lavede papirer med flere størrelser af cellulosefibre - alt for små til at øjet kan se - varierende i størrelse fra omkring 30 mikrometer til 10 nanometer. Papiret lavet af 10 nanometer tykke fibre var 40 gange hårdere og 130 gange stærkere end almindeligt notesbogspapir, som er lavet af cellulosefibre tusind gange større.

"Disse resultater kan føre til en ny klasse af højtydende ingeniørmaterialer, der er både stærke og seje, en hellig gral i materialedesign, " sagde Li.

Højtydende, men alligevel lette cellulosebaserede materialer kan en dag erstatte konventionelle strukturelle materialer (dvs. metaller) i applikationer, hvor vægt er vigtig. Dette kan føre til, for eksempel, til mere energieffektive og "grønne" køretøjer. Ud over, teammedlemmer siger, transparent cellulose nanopapir kan blive anvendeligt som et funktionelt substrat i fleksibel elektronik, resulterer i papirelektronik, printbare solceller og fleksible displays, der radikalt kan ændre mange aspekter af dagligdagen.

Cellulosefibre kan nemt danne mange hydrogenbindinger. En gang brudt, brintbindingerne kan omdannes af sig selv – hvilket giver materialet en 'selvhelbredende' kvalitet. UMD opdagede, at jo mindre cellulosefibre, jo flere brintbindinger pr. kvadratareal. Det betyder, at papir lavet af meget små fibre både kan holde bedre sammen og omforme hurtigere, hvilket er nøglen til, at cellulosenanopapir er både stærkt og sejt.

"Det er nyttigt at vide, hvorfor cellulosenanopapir er både stærkt og sejt, især når den underliggende årsag også kan anvendes på mange andre materialer, "sagde Liangbing Hu, adjunkt i materialevidenskab ved UMD.

At bekræfte, forskerne forsøgte et lignende eksperiment ved hjælp af carbon nanorør, der var lignende i størrelse til cellulosefibrene. Carbon nanorørene havde meget svagere bindinger, der holdt dem sammen, så under spænding holdt de ikke så godt sammen. Papir lavet af kulstof nanorør er svagt, selvom nanorør hver for sig nok er det stærkeste materiale, der nogensinde er lavet.

En mulig fremtidig retning for forskningen er forbedringen af ​​den mekaniske ydeevne af carbon nanorørpapir.

"Papir fremstillet af et netværk af carbon nanorør er meget svagere end forventet, sagde Li. det har været en stor udfordring at oversætte kulstofnanorørs fremragende egenskaber på nanoskala til makroskala. Vores forskningsresultater kaster lys over en levedygtig tilgang til at tackle denne udfordring og opnå kulstof nanorørpapir, der er både stærkt og sejt."