Ny beregningsmetode giver forskere mulighed for at designe cellulose nanokompositter med optimale egenskaber

Teoretisk set, nanocellulose kunne være det næste varme supermateriale.

En klasse af biologiske materialer, der findes i adskillige naturlige systemer, især træer, cellulose nanokrystaller har fanget forskernes opmærksomhed for deres ekstreme styrke, sejhed, let vægt, og elasticitet. Materialerne er så stærke og seje, faktisk, at mange mennesker tror, ​​de kunne erstatte Kevlar i ballistiske veste og kamphjelme til militæret. I modsætning til deres kildemateriale (træ), cellulose nanokrystaller er gennemsigtige, gør dem til spændende kandidater til beskyttelsesbriller, vinduer, eller viser.

Selvom der er meget begejstring omkring ideen om nanocellulosebaserede materialer, virkeligheden falder ofte flad.

"Det er svært at få disse teoretiske egenskaber til at materialisere sig i eksperimenter, " sagde Northwestern Engineerings Sinan Keten. "Forskere vil lave kompositmaterialer med nanocellulose og opdage, at de ikke lever op til teorien."

Keten, en adjunkt i mekanik, civil, og miljøteknik ved Northwestern University's McCormick School of Engineering, og hans team bringer verden et skridt tættere på en materiale-by-design tilgang til udvikling af nanokompositter med cellulose. De har udviklet en roman, multi-skala beregningsramme, der forklarer, hvorfor disse eksperimenter ikke producerer det ideelle materiale og foreslår løsninger til at løse disse mangler, specifikt ved at modificere overfladekemien af ​​cellulosenanokrystaller for at opnå større hydrogenbinding med polymerer.

Støttet af Army Research Office og National Institute of Standards and Technology, forskningen vises i septembernummeret af Nano bogstaver . Xin Qin og Wenjie Xia, kandidatstuderende i Ketens laboratorium, er med-første forfattere af papiret. Robert Sinko, en anden kandidat i Ketens laboratorium, også bidraget til undersøgelsen.

Findes inden for cellevæggene af træ, cellulose nanokrystaller er en ideel kandidat til polymer nanokompositter - materialer, hvor en syntetisk polymer matrix er indlejret med nanoskala fyldstofpartikler. Nanokompositter er almindeligvis fremstillet syntetiske fyldstoffer, såsom silica, ler, eller kønrøg, og bruges i et utal af applikationer lige fra dæk til biomaterialer.

"Cellulose nanokrystaller er et attraktivt alternativ, fordi de er naturligt biotilgængelige, vedvarende, ikke-giftige, og relativt billig, " sagde Keten. "Og de kan nemt udvindes fra træmassebiprodukter fra papirindustrien."

Problemer opstår, imidlertid, når forskere forsøger at kombinere nanocellulosefyldstofpartiklerne med polymermatrixen. Feltet har manglet en forståelse af, hvordan mængden af ​​filler påvirker komposittens overordnede egenskaber samt karakteren af ​​nanoskala-interaktionerne mellem matrixen og filleren.

Ketens løsning forbedrer denne forståelse ved at fokusere på materialernes længdeskala frem for selve materialernes beskaffenhed. Ved at forstå hvilke faktorer der påvirker egenskaber på atomskalaen, hans beregningsmæssige tilgang kan forudsige nanokomposittens egenskaber, når den skalerer op i størrelse - med et minimalt behov for eksperimenter.

"I stedet for blot at producere et materiale og derefter teste det for at se, hvad dets egenskaber er, vi justerer i stedet designparametre strategisk for at udvikle materialer med en målrettet egenskab for øje, " sagde Sinko. "Når du udligner musik, du kan dreje på knapperne for at justere bassen, diskant, osv. for at frembringe en ønsket lyd. I materialer-by-design, vi kan på samme måde 'dreje på knapperne' for specifikke parametre for at justere de resulterende egenskaber."