Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST), in samenwerking met het U.S. Government Publishing Office (GPO), een roman hebben ontwikkeld, niet-destructieve methode om snel de hout- en niet-houtvezelcomponenten in papier te meten.

Het identificeren en meten van de verhouding van plantaardige vezels die worden gebruikt om papier te vervaardigen, heeft een brede toepassing in strafrechtelijk forensisch onderzoek, kunst behouden, authenticatie van historische documenten, het beoordelen van de inhoud van gerecycled papier en ervoor zorgen dat paspoorten en andere Amerikaanse overheidsdocumenten op het vereiste veiligheidspapier worden afgedrukt.

Bijvoorbeeld, hoogwaardige overheidsdocumenten worden vaak gemaakt met niet-houtvezels zoals katoen. Van hout afgeleide vezels maken papier in de loop van de tijd brozer en kunnen helpen om de leeftijd ervan te onthullen. Forensische onderzoekers op een plaats delict zoeken vaak naar de overdracht van materiaal tussen individuen; dergelijke materialen omvatten de soorten vezels die in papier zitten.

Ondanks het belang ervan, de huidige methode voor het analyseren van papier is weinig veranderd sinds vezeltechnoloog Mary Rollins van NIST (toen bekend als het National Bureau of Standards) in de jaren twintig en dertig hielp bij het pionieren van de methode. Naar moderne maatstaven, echter, de techniek is arbeidsintensief, tijdrovend en zeer subjectief. Het proces vereist ook het opofferen van een deel van het papiermonster, die mogelijk beperkt zijn en nodig zijn voor bewijs.

Om individuele vezels in het monster vrij te maken, het papier moet in water worden gekookt, gemacereerd (verzacht) met een glazen roerstaafje en behandeld met verschillende chemicaliën. Vervolgens wordt een pipet vol met de vezeloplossing op een objectglaasje geplaatst om te drogen. Volgende, jodium kleurt de vezel om deze zichtbaar te maken. Vervolgens, de analist moet vertrouwen op zijn of haar geheugen en gezichtsscherpte om de vorm van de gekleurde vezels overeen te laten komen met tekstboekafbeeldingen van zo'n 100 plantenvezels.

NIST-wetenschappers Yaw Obeng, Jan Obrzut en Dianne Poster, samen met NIST-gastonderzoeker Michael Postek en hun collega Mary Kombolias van het GPO, hebben nu de vezelanalyse van papier in de 21e eeuw gebracht, met behulp van een recent gebruikte methode om materiaalveroudering in micro-elektronica op halfgeleiderchips te onderzoeken. Hun metingen kunnen in minuten worden uitgevoerd en het hele vel papier intact laten.

De techniek, bekend als diëlektrische spectroscopie, identificeert de samenstelling van materialen door te onderzoeken hoe bepaalde moleculen reageren op een snel veranderend elektrisch veld. Bij het aanpassen van de techniek aan papier, de onderzoekers richtten zich op het gedrag van watermoleculen, die tijdens het productieproces worden toegevoegd en ook een belangrijk onderdeel zijn van de plantaardige vezels die worden gebruikt om papier te maken. (Watermoleculen zijn een klein maar belangrijk bestanddeel van droog papier.)

Microgolven die op een vel papier schijnen, zorgen ervoor dat de moleculen gaan draaien. De snelheid waarmee watermoleculen in papier roteren, verschilt van de snelheid waarmee ze in de vrije ruimte zouden roteren. Dat komt omdat de watermoleculen in de vezels gebonden zijn aan natuurlijk voorkomende polymeren en andere materialen in het papier, die de rotatiesnelheid beïnvloeden. De specifieke frequentie waarmee de watermoleculen roteren, geeft dus een aanwijzing over de chemische omgeving van de watermoleculen en daarmee de inhoud van het papier.

Watermoleculen bieden uitstekende sondes voor de samenstelling van het papier waarin ze zich bevinden. Water is een polair molecuul, wat betekent dat de positieve en negatieve ladingen enigszins van elkaar zijn gescheiden. Als gevolg van deze scheiding, het ene uiteinde van een watermolecuul heeft een positieve lading, terwijl het andere uiteinde een negatieve lading heeft. Wanneer een wisselend elektrisch veld op het papier wordt aangelegd, de polariteit van de watermoleculen is uitgelijnd met de richting van het elektrische veld. Als het veld van richting verandert, wat vele miljarden keren per seconde gebeurt, de watermoleculen proberen het voorbeeld te volgen, hun polariteit synchroon met het veld omkeren. Maar de match is niet perfect.

Dat komt grotendeels omdat de reactie van de watermoleculen afhangt van de samenstelling van het papier, met name de aard van de polymeren waaraan de watermoleculen zijn gebonden. Bijvoorbeeld, lignine, een polymeer in plantencelwanden dat planten stijf en houtachtig maakt, zal de snelheid waarmee de watermoleculen hun oriëntatie kunnen omdraaien aanzienlijk vertragen wanneer een wisselend elektrisch veld wordt toegepast. Het registreren van de respons van de watermoleculen geeft daarom een ​​zeer gevoelige meting van het type plantenvezels en hun concentratie in een papiermonster.

"Hoe snel de watermoleculen zich aanpassen aan het wisselende elektrische veld, vertelt ons veel over de samenstelling van het papier, ' zei Obeng.

De onderzoekers rapporteerden hun bevindingen in een recent nummer van Tappi Journaal , waaronder onderzoek naar bosproducten en aanverwante industrieën.

Het team, samen met andere wetenschappers, onderzoekt nu hoe dezelfde methode kan worden gebruikt om schadelijke bacteriën op te sporen op oppervlakken in ziekenhuiskamers, en op recent gevangen vis en ander bederfelijk voedsel. De techniek kan werken omdat, net als watermoleculen, sommige bacteriën hebben een kenmerkende manier om zich te heroriënteren in aanwezigheid van een elektrische wisselstroom en te ontspannen wanneer de stroom wordt uitgeschakeld.