Onderzoekers van het Instituut voor Wetenschappelijk en Industrieel Onderzoek van de Universiteit van Osaka hebben een nieuwe methode bedacht om de mate van fibrillatie in houtpulp te bepalen. Door gebruik te maken van de intrinsieke optische dubbele breking van cellulose, ze waren in staat om de morfologieverandering te meten door middel van optische vertragingsverdeling. Dit werk kan leiden tot een duidelijke sortering en slim gebruik van hernieuwbare biomassa, cellulose nanovezels.

Cellulose, de primaire structurele component van de meeste planten, al millennia door de mensheid geoogst als een belangrijk biomateriaal voor kleding, papier, en houten constructies. Recenter, cellulose nanovezels zijn geproduceerd, die het voordeel hebben van verschillende functionaliteiten die zijn afgeleid van de kristallen met verlengde keten waaruit cellulose bestaat, inclusief optische dubbele breking. Dubbele breking treedt op wanneer de effectieve lichtsnelheid in een materiaal afhangt van de polarisatie ervan; in dit geval, of het licht parallel of loodrecht op de polymeerketens is gepolariseerd.

Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers van de Osaka University heeft een optisch analysesysteem ontwikkeld dat de mate van fibrillatie van houtpulp direct kan kwantificeren. Fibrillatie is het proces van het verminderen van de bundeling van cellulosemoleculen in microschaalpulpvezels om nanoschaalvezels te vormen. Vergeleken met het nauwgezet meten van vezelbreedtes met een elektronenmicroscoop, deze techniek bepaalt snel en eenvoudig of de cellulosevezels in willekeurige richtingen zijn uitgelijnd of verspreid. "Ons systeem biedt duidelijke en kwantificeerbare criteria voor het beoordelen van de kwaliteit van cellulose-nanovezels, ", zegt eerste auteur Kojiro Uetani.

Dit wordt bereikt door het observeren van cellulosevezels in een kwartsstroomcel met een dubbelbrekingsmicroscoop. Het monster wordt van onderaf belicht met circulair gepolariseerd licht, die een elektrische veldoriëntatie heeft die als een helix in de ruimte roteert. Gebieden van de vezels met een grote dubbele breking zullen een grotere optische vertraging in de fase van het licht veroorzaken. Met behulp van een dubbelbrekingsmicroscoop, de onderzoekers konden deze waarde pixel voor pixel vastleggen. Ze ontdekten dat zowel de gemiddelde optische vertraging als de standaarddeviatie ervan correleerden met de mate van fibrillatie. Grote vertragingswaarden waren geassocieerd met intacte pulpvezels, terwijl kleinere waarden werden gezien met een ballonachtige structuur in fibrillerende pulpen, en zeer kleine waarden kwamen voor met gedispergeerde nanovezels.

"We hopen de precieze structuurcontrole en het geavanceerde gebruik van houtpulp en cellulose-nanovezels te bevorderen, ", zegt senior auteur Masaya Nogi. Naast de resultaten van het hierboven beschreven artikel, het team heeft ook bevestigd dat het mogelijk is om automatisch de mate van fibrillatie van onbekende pulpmonsters te bepalen door diep leren van vertragingsbeelden. Dit systeem zal naar verwachting in de toekomst leiden tot een duidelijkere en meer automatische definitie van de mate van fibrillatie door kunstmatige intelligentie (AI) en zal een belangrijke analysetechnologie worden voor het aangeven van de kwaliteit van pulpmaterialen en cellulose-nanovezels.