Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben derivaten van twee overtollige materialen - houtpulp en opgedroogde stukjes van een invasieve exotische plaag - gecombineerd om een ​​nieuw composietmateriaal te vormen dat flexibel is, duurzaam, niet giftig en UV licht reflecterend. Het materiaal, beschreven in een nieuw artikel gepubliceerd in Geavanceerde functionele materialen , zou binnenkort in een breed scala van toepassingen kunnen worden gebruikt, inclusief voedselverpakkingen, biomedische apparaten, bouwconstructie en het ontwerpen van auto's, vrachtwagens en boten.

De sleutel tot dit onwaarschijnlijke huwelijk van hout en ongedierte is een motief dat de "Bouligand-structuur, " waarin moleculen zich opstapelen in een gedraaide vorm, vergelijkbaar met kleine wenteltrappen. Wetenschappers hebben geleerd dat de Bouligand-structuur een bepaald soort veerkracht biedt tegen scheuren; de kracht van een impact wordt geleid door die kleine, nanoformaat, trapachtige kronkels en bochten door een reeks omwegen. In plaats van er rechtdoor te breken, de energie van een hobbel of crash wordt dus afgebogen via een soort kronkelig pad, waardoor het algehele materiaal intact en functioneel blijft.

Hoewel hout geen natuurlijke Bouligand-structuur heeft, het trekt al tientallen jaren wetenschappers aan, mede omdat er een ruime voorraad materiaal overblijft na de verwerking van papier en commercieel hout.

"Het idee om bruikbare producten te maken van houtpulp heeft veel mensen in veel verschillende industrieën lang geïntrigeerd, " zegt Jeff Gilman, die het composieten projectteam bij NIST leidt.

Door die pulp met zuur te wassen om de lignine en amorfe cellulose te verwijderen, wetenschappers ontdekten enkele jaren geleden dat ze een melkachtige oplossing konden creëren die uiteindelijk opdroogde om een ​​nieuw materiaal te vormen met een Bouligand-structuur. Het belangrijkste onderdeel van deze oplossing waren kleine kristallijne staafjes van cellulose, bekend als cellulose nanokristallen of nanocellulose. Echter, zelfstandig, de van pulp afgeleide Bouligand-films zijn broos en zullen niet veel gewicht dragen.

Het NIST-team veronderstelde dat het combineren van de korte van hout afgeleide nanocellulosestaven met een ander natuurlijk materiaal met langere kristallijne staven zou resulteren in iets nieuws dat ongelooflijk sterk en flexibel zou zijn. Met de juiste toevoegingen, dit nieuwe materiaal zou kunnen worden gebruikt om films te maken die de diffusie van water en zuurstof kunnen vertragen.

"Het juiste product, indien ontwikkeld, kan in alles worden gebruikt, van lucht- en ruimtevaartcomposieten tot verpakkingen die voedsel vers houden, ' zei Gilman.

Een optie voor het nieuwe composietmateriaal:de karkassen van een uitgedroogd waterdier, een manteldier genaamd, dat in sommige landen als een plaag wordt beschouwd en in andere als een heerlijke traktatie.

In veel delen van Azië, de bruine waterdieren ( Styela clava ) worden vaak gekookt en geserveerd in pittige sauzen. Maar zonder de aanwezigheid van natuurlijke vijanden om ze in nieuwe omgevingen op te eten, hun populaties beginnen uit te groeien tot enorme aantallen die uiteindelijk bootmotoren en vistuig verstoppen, inheemse vissen overtreffen, gezonde planktonpopulaties te verminderen en productieve schelpdierbanken te vervuilen en te ruïneren. Sommige milieubeheerders denken dat het vinden van een manier om ze te verwijderen en als hulpbron te gebruiken, een gunstig doel kan hebben. Ze oogsten is een optie. Als een oester, de binnenkant van een manteldier wordt beschouwd als het smakelijke stukje. De buitenkant wordt meestal gewoon weggegooid, wat betekent dat er een kant-en-klare bron voor dit materiaal kan zijn in gebieden waar ze vaak worden gekookt.

Wat de NIST-onderzoekers specifiek intrigeerde, echter, was de innerlijke structuur van het manteldier, die was gemaakt van zeer lang, sterk kristallijne nanocellulose. Deze waren anders dan de kortere kristallen in hout.

"Manteldieren zijn de gouden standaard geworden voor hun fysieke eigenschappen, " zei Johan Foster van Virginia Tech University, die een van de weinige teams is die over de hele wereld werken aan de oogst en het onderzoek van manteldieren. Foster verzamelde en leverde de manteldieren voor het NIST-project vanuit een dok in West-Frankrijk, waar de dieren als een hinderlijke soort worden beschouwd.

Sommige wetenschappers waren ervan uitgegaan dat een composiet, volledig gemaakt van lange kristallijne manteldiertjes-nanocellulose, ongelooflijk sterk en taai zou zijn. Echter, door het testen van gedroogde gemengde manteldier/houtcomposietmaterialen, hoofdauteur Bharath Natarajan was in staat om het exacte punt van de grootste taaiheid te identificeren.

"Als je een beetje manteldier in de houtpulpcomposiet doet, het maakt het wat stugger, en het breekt niet zo snel en wordt flexibeler, " Zei Natarajan. "Doe er 10 procent in en het is twee keer zo sterk. Als je mengsel 30 procent manteldiertje en 70 procent houtpulp is, de resulterende composiet is 15-20 keer sterker. Maar daarna, je ziet echt geen verbetering in kracht, en er is een vermindering van de taaiheid."

Manteldieren zijn er in overvloed, maar blijven duur om te verwerken, dus precies weten hoeveel u moet toevoegen, is essentieel om het gebruik ervan in de toekomst op te schalen, en om eventuele resulterende producten betaalbaar te houden.

Het toevoegen van de manteldieren zorgde er ook voor dat de nanokristallen op een andere manier gingen draaien en versnelde de structuurvorming in de houtpulp. Het vormde ook een patroon dat strakker en dichter was, waardoor het nieuwe composietmateriaal UV-reflecterend wordt.

"Veel materialen beginnen af ​​te breken als ze lange tijd aan de zon worden blootgesteld, " zei Gilman. "Dit materiaal kan mogelijk worden gebruikt als coating op andere oppervlakken om licht te reflecteren en de duurzaamheid te verlengen."

In de komende jaren, Natarajan en zijn team zullen blijven testen hoe hun nieuwe mantel-houtpulpmengsel kan worden gebruikt om veerkrachtige, flexibele en UV-reflecterende composieten voor gebruik bij de vervaardiging van duurzame, lichtgewicht auto's en ruimtevaartvoertuigen, onder andere producten.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.