nuevo compuesto a base de plantas es tan fuerte como el hueso y duro como el aluminio | Noticias del MIT



La parte más fuerte de un árbol no es su tronco ni sus raíces, sino sus paredes celulares microscópicas.

Una sola pared celular de madera está construida con fibras de celulosa, el polímero más abundante en la naturaleza y el principal componente estructural de todas las plantas y algas. Dentro de cada fibra hay nanocristales de celulosa de refuerzo, o CNC, que son cadenas de polímeros orgánicos dispuestos en patrones cristalinos casi perfectos. En la nanoescala, los CNC son más resistentes y rígidos que el Kevlar. Si los cristales pudieran convertirse en materiales en grandes fracciones, los CNC podrían ser un camino hacia plásticos naturales más resistentes y duraderos.

Ahora, un equipo del MIT ha diseñado un compuesto hecho principalmente de nanocristales de celulosa mezclados con algún polímero sintético. Los cristales orgánicos ocupan aproximadamente del 60 al 90 % del material, la fracción más alta de CNC lograda en un compuesto hasta la fecha.

Los investigadores encontraron que el compuesto a base de celulosa es más fuerte y resistente que algunos tipos de hueso y más duro que las aleaciones de aluminio típicas. El material tiene una microestructura de ladrillo y cemento que se asemeja a la madreperla, la dura pared interna de la concha de algunos moluscos.

El equipo encontró una receta para el compuesto basado en CNC que podían fabricar utilizando tanto la impresión 3D como el moldeado convencional. Imprimieron y moldearon el compuesto en piezas de película del tamaño de un centavo que usaron para probar la resistencia y dureza del material. También mecanizaron el compuesto en forma de diente para demostrar que el material algún día podría usarse para fabricar implantes dentales a base de celulosa, y para el caso, todos los productos de plástico, que son más fuertes, resistentes y duraderos.

“Al crear compuestos con CNC de alta carga, podemos dar a los materiales basados ​​en polímeros propiedades mecánicas que nunca antes habían tenido”, dice A. John Hart, profesor de ingeniería mecánica. «Si podemos reemplazar algunos plásticos a base de petróleo con celulosa natural, probablemente también sea mejor para el planeta».

Hart y su equipo, incluidos Abhinav Rao PhD ’18, Thibaut Divoux y Crystal Owens SM ’17, publicaron sus resultados hoy en la revista Celulosa.

Bonos de gel

Cada año se sintetizan más de 10 mil millones de toneladas de celulosa a partir de la corteza, la madera o las hojas de las plantas. La mayor parte de esta celulosa se usa para hacer papel y textiles, mientras que una parte se muele en polvo para usar en espesantes de alimentos y cosméticos.

En los últimos años, los científicos han explorado los usos de los nanocristales de celulosa, que se pueden extraer de las fibras de celulosa mediante hidrólisis ácida. Los cristales excepcionalmente fuertes podrían usarse como refuerzos naturales en materiales basados ​​en polímeros. Pero los investigadores solo pudieron incorporar pequeñas fracciones de CNC porque los cristales tendían a agruparse y unirse débilmente a las moléculas de polímero.

Hart y sus colegas buscaron desarrollar un compuesto con una alta fracción de CNC, que pudieran moldear en formas fuertes y duraderas. Comenzaron mezclando una solución de polímero sintético con polvo CNC disponible comercialmente. El equipo determinó la proporción de CNC y polímero que convertiría la solución en un gel, con una consistencia que podría alimentarse a través de la boquilla de una impresora 3D o verterse en un molde para moldearlo. Usaron una sonda de ultrasonido para romper los grumos de celulosa en el gel, lo que aumentó la probabilidad de que la celulosa dispersa formara enlaces fuertes con las moléculas de polímero.

Introducieron parte del gel en una impresora 3D y vertieron el resto en un molde de fundición. Luego dejan secar las muestras impresas. En el proceso, el material se encogió, dejando un compuesto fuerte compuesto principalmente de nanocristales de celulosa.

«Básicamente deconstruimos la madera y la reconstruimos», dice Rao. «Tomamos los mejores componentes de la madera, a saber, los nanocristales de celulosa, y los reconstruimos en un nuevo material compuesto».

grietas obstinadas

Curiosamente, cuando el equipo examinó la estructura del compuesto bajo un microscopio, observaron que los granos de celulosa se asentaron en un patrón de ladrillo y mortero, similar a la arquitectura de la madreperla. En el nácar, esta microestructura en zigzag evita que una grieta atraviese el material. Los investigadores descubrieron que este también era el caso con su nuevo compuesto de celulosa.

Probaron la resistencia del material al agrietamiento, usando herramientas para iniciar grietas primero a nanoescala y luego a escala microscópica. Descubrieron que, a múltiples escalas, la disposición de los granos de celulosa en el compuesto evitaba que las grietas dividieran el material. Esta resistencia a la deformación plástica le da al compuesto una dureza y rigidez en el límite entre los plásticos convencionales y los metales.

En el futuro, el equipo está buscando formas de minimizar la contracción de los geles a medida que se secan. Si bien la contracción no es un gran problema cuando se imprimen objetos pequeños, cualquier cosa más grande puede deformarse o agrietarse cuando el compuesto se seca.

«Si pudieras evitar la contracción, podrías seguir aumentando, tal vez en la escala de un metro», dice Rao. «Entonces, si tuviéramos que soñar en grande, podríamos reemplazar una fracción significativa de plásticos con compuestos celulósicos».

Esta investigación fue financiada, en parte, por Procter and Gamble Corporation y la Beca de Posgrado en Ingeniería y Ciencias de la Defensa Nacional.

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