Material bi lahko utrl pot trajnostni plastiki. Najmočnejši del drevesa ni v njegovem deblu ali razvejanih koreninah, temveč v stenah njegovih mikroskopskih celic.
Ena stena celice lesa je zgrajena iz celuloznih vlaken – najbolj razširjenega polimera v naravi in glavne strukturne sestavine vseh rastlin in alg. Znotraj vsakega vlakna so ojačitveni celulozni nanokristali ali CNC, ki so v bistvu verige organskih polimerov, razporejenih v skoraj popolne kristalne vzorce. Na nano lestvici so CNC-ji močnejši in trši od kevlarja. Če bi kristale lahko obdelali v materiale v pomembnih frakcijah, bi lahko CNC-ji predstavljali pot do močnejše, bolj trajnostne, naravno pridobljene plastike. Zdaj je ekipa MIT izdelala kompozit, narejen večinoma iz nanokristalov celuloze, pomešane z malo sintetičnega polimera. Organski kristali prevzamejo približno 60 do 90 odstotkov materiala, kar predstavlja najvišji delež CNC-jev, doseženih v kompozitu do danes.
Raziskovalci so ugotovili, da je kompozit na osnovi celuloze močnejši in bolj žilav od nekaterih vrst kosti, ter trši od tipičnih aluminijevih zlitin. Material ima mikrostrukturo ekvivalentno opeki in maltiter spominja na biserovino, trdo notranjo lupino nekaterih mehkužcev. Ekipa je našla recept za kompozit na osnovi CNC, ki bi ga lahko izdelali s 3D tiskanjem in z običajnim litjem. Kompozit so natisnili in vlili v kose filma v velikosti kovanca, s katerimi so testirali trdnost in žilavost materiala. Prav tako so strojno obdelali kompozit v obliki zoba, da bi pokazali, da bi material nekega dne lahko uporabili za izdelavo zobnih vsadkov na osnovi celuloze in v tem primeru vseh plastičnih izdelkov, ki so močnejši, bolj žilavi in bolj trajnostni.
»Z ustvarjanjem kompozitov s CNC-ji pri visoki obremenitvi lahko damo materialom na osnovi polimerov mehanske lastnosti, ki jih še nikoli niso imeli,« pravi A. John Hart, profesor strojništva. “Če lahko nadomestimo plastiko izdelano na osnovi nafte z naravno pridobljeno celulozo, je to gotovo bolje tudi za planet.” Hart in njegova ekipa, vključno z Abhinav Rao PhD ’18, Thibaut Divoux in Crystal Owens SM ’17, so objavili svoje rezultate v reviji Cellulose.
Gel vezi
Vsako leto se iz lubja, lesa ali listov rastlin sintetizira več kot 10 milijard ton celuloze. Večina te celuloze se uporablja za izdelavo papirja in tekstila, del pa se predela v prah za uporabo v zgoščevalnikih hrane in kozmetiki. V zadnjih letih so znanstveniki raziskali uporabo nanokristalov celuloze, ki jih je mogoče ekstrahirati iz celuloznih vlaken s kislinsko hidrolizo. Izjemno močni kristali bi se lahko uporabili kot naravne ojačitve v materialih na osnovi polimerov. Toda raziskovalci so uspeli vključiti le nizke frakcije CNC-jev, saj so kristali nagnjeni k združevanju in se le šibko vežejo s polimernimi molekulami.
Hart in njegovi sodelavci so želeli razviti kompozit z visokim deležem CNC-jev, ki bi ga lahko oblikovali v močne, trpežne oblike. Začeli so z mešanjem raztopine sintetičnega polimera s komercialno dostopnim CNC prahom. Ekipa je določila razmerje med CNC in polimerom, ki bi raztopino spremenilo v gel s konsistenco, ki bi jo lahko spustili skozi šobo 3-D tiskalnika ali vlili v kalup za ulivanje. Uporabili so ultrazvočno sondo, da bi razbili vse kepe celuloze v gelu, zaradi česar je bila večja verjetnost, da bo razpršena celuloza tvorila močne vezi s polimernimi molekulami. Nekaj gela so spustili skozi 3-D tiskalnik, preostanek pa vlili v kalup za ulivanje. Nato so pustili, da so se natisnjeni vzorci posušili. Pri tem se je material skrčil in za seboj pustil trden kompozit, sestavljen predvsem iz nanokristalov celuloze.
Žilave razpoke
Zanimivo je, da je ekipa, ko je pod mikroskopom preučila strukturo kompozita in opazila, da so se zrna celuloze usedla v vzorec kot iz opeke in malte, podoben arhitekturi biserovini. V biserovini ta cik-cak mikrostruktura preprečuje, da bi razpoke tekle naravnost skozi material. Raziskovalci so ugotovili, da to velja tudi za njihov novi celulozni kompozit. Preizkusili so odpornost materiala na razpoke, pri čemer so uporabili orodja za sprožitev najprej nano in nato mikro razpok. Ugotovili so, da je na več lestvicah razporeditev celuloznih zrn kompozita preprečila, da bi razpoke razcepile material. Ta odpornost na plastično deformacijo daje kompozitu trdoto in togost na meji med običajno plastiko in kovinami.
V prihodnje ekipa išče načine za zmanjšanje krčenja gelov, ko se posušijo. Čeprav pri tiskanju majhnih predmetov krčenje ni velika težava, bi se vsi večji predmeti lahko zvijali ali počili, ko se kompozit suši. “Če bi se lahko izognili krčenju, bi se lahko še naprej povečevali velikost vzorcev, morda na metrsko lestvico,” pravi Rao. “Če bi sanjali na veliko, bi lahko nadomestili pomemben del plastike s celuloznimi kompoziti.” To raziskavo sta delno podprla družba Proctor and Gamble Corporation in podiplomska štipendija National Defence Science and Engineering Graduate Fellowship.
Povzeto po:
