Noul compozit derivat din plante este dur ca osul, dur ca aluminiul

583605.jpg

Un nou compozit lemnos, conceput de o echipă de la MIT, este la fel de dur ca oasele și la fel de dur ca aluminiul și ar putea deschide calea pentru materialele plastice derivate în mod natural. Această imagine arată un dinte imprimat de echipă sprijinit pe un fundal de celule de lemn. Credit: A. John Hart, Abhinav Rao; editat de MIT News.

Cea mai puternică parte a unui copac nu se află în trunchiul său sau în rădăcinile sale extinse, ci în pereții celulelor sale microscopice.

Un singur perete celular de lemn este construit din fibre de celuloză – cel mai abundent polimer din natură și principala componentă structurală a tuturor plantelor și algelor. În fiecare fibră se află nanocristale de celuloză de ranforsare, sau CNC-uri, care sunt lanțuri de polimeri organici aranjați în modele de cristale aproape perfecte. La scară nanometrică, CNC-urile sunt mai puternice și mai rigide decât Kevlar-ul. Dacă cristalele ar putea fi transformate în materiale în fracțiuni semnificative, CNC-urile ar putea fi o cale către materiale plastice mai puternice, mai durabile, derivate natural.

Acum, o echipă MIT a conceput un compozit realizat în mare parte din nanocristale de celuloză amestecate cu puțin polimer sintetic. Cristalele organice ocupă aproximativ 60 până la 90 la sută din material – cea mai mare fracțiune de CNC-uri realizată într-un compozit până în prezent.

Cercetătorii au descoperit că compozitul pe bază de celuloză este mai puternic și mai dur decât unele tipuri de oase și mai dur decât aliajele tipice de aluminiu. Materialul are o microstructură din cărămidă și mortar, care seamănă cu nacrea, căptușeala interioară tare a unor moluște.

Echipa a găsit o rețetă pentru compozitul bazat pe CNC pe care l-ar putea fabrica atât folosind imprimarea 3D, cât și turnarea convențională. Ei au imprimat și turnat compozitul în bucăți de film de mărimea unui ban pe care le-au folosit pentru a testa rezistența și duritatea materialului. De asemenea, au prelucrat compozitul în forma unui dinte pentru a arăta că materialul ar putea fi folosit într-o zi pentru a face implanturi dentare pe bază de celuloză – și, de altfel, orice produse din plastic – care sunt mai puternice, mai dure și mai durabile.

„Prin crearea de compozite cu CNC-uri la încărcare mare, putem conferi materialelor pe bază de polimeri proprietăți mecanice pe care nu le-au avut niciodată înainte”, spune A. John Hart, profesor de inginerie mecanică. „Dacă putem înlocui niște plastic pe bază de petrol cu ​​celuloză derivată în mod natural, probabil că este mai bine și pentru planetă”.

Hart și echipa sa, inclusiv Abhinav Rao PhD ’18, Thibaut Divoux și Crystal Owens SM ’17, și-au publicat rezultatele în jurnal Celuloză.

Legături de gel

În fiecare an, peste 10 miliarde de tone de celuloză sunt sintetizate din scoarța, lemnul sau frunzele plantelor. Cea mai mare parte din această celuloză este folosită pentru fabricarea hârtiei și textilelor, în timp ce o parte din aceasta este procesată în pulbere pentru utilizare în agenți de îngroșare a alimentelor și cosmetice.

În ultimii ani, oamenii de știință au explorat utilizări pentru nanocristalele de celuloză, care pot fi extrase din fibrele de celuloză prin hidroliză acidă. Cristalele excepțional de puternice ar putea fi folosite ca întăriri naturale în materialele pe bază de polimeri. Dar cercetătorii au reușit să încorporeze doar fracțiuni mici de CNC-uri, deoarece cristalele au avut tendința să se aglomereze și să se lege doar slab cu moleculele de polimer.

Hart și colegii săi au încercat să dezvolte un compozit cu o fracțiune mare de CNC-uri, pe care să-l modeleze în forme puternice și durabile. Au început prin a amesteca o soluție de polimer sintetic cu pulbere CNC disponibilă în comerț. Echipa a determinat raportul dintre CNC și polimer care ar transforma soluția într-un gel, cu o consistență care ar putea fi fie introdusă prin duza unei imprimante 3-D, fie turnată într-o matriță pentru a fi turnată. Ei au folosit o sondă cu ultrasunete pentru a sparge orice bulgări de celuloză din gel, făcând mai probabil ca celuloza dispersată să formeze legături puternice cu moleculele de polimer.

Au alimentat o parte din gel printr-o imprimantă 3-D și au turnat restul într-o matriță pentru a fi turnat. Apoi au lăsat mostrele imprimate să se usuce. În acest proces, materialul s-a micșorat, lăsând în urmă un compozit solid compus în principal din nanocristale de celuloză.

„Practic am deconstruit lemnul și l-am reconstruit”, spune Rao. „Am luat cele mai bune componente ale lemnului, care sunt nanocristale de celuloză, și le-am reconstruit pentru a obține un nou material compozit”.

Fisuri dure

Interesant este că atunci când echipa a examinat structura compozitului la microscop, ei au observat că boabele de celuloză s-au așezat într-un model de cărămidă și mortar, similar cu arhitectura nacrei. În nacru, această microstructură în zig-zag oprește o fisură să curgă direct prin material. Cercetătorii au descoperit că acest lucru este și cazul noului lor compozit de celuloză.

Ei au testat rezistența materialului la fisuri, folosind instrumente pentru a iniția mai întâi fisuri la scară nano și apoi la scară micro. Ei au descoperit că, pe mai multe scale, aranjamentul compozitului de granule de celuloză a împiedicat fisurile să despartă materialul. Această rezistență la deformarea plastică conferă compozitului o duritate și o rigiditate la limita dintre materialele plastice convenționale și metale.

În continuare, echipa caută modalități de a minimiza contracția gelurilor pe măsură ce se usucă. În timp ce contracția nu este o problemă foarte mare atunci când imprimați obiecte mici, orice lucru mai mare se poate sparge sau crăpa pe măsură ce compozitul se usucă.

„Dacă ai putea evita contracția, ai putea continua să crești, poate la scara metrului”, spune Rao. „Atunci, dacă ar fi să visăm mare, am putea înlocui o parte semnificativă a materialelor plastice cu compozite de celuloză”.

Republicat prin amabilitatea MIT.

.

Leave a Comment

Adresa ta de email nu va fi publicată.