Dezelfde kleine cellulosekristallen die bomen en planten hun hoge sterkte geven, lichtgewicht en veerkracht, nu is aangetoond dat ze de stijfheid van staal hebben.

De nanokristallen kunnen worden gebruikt om een ​​nieuwe klasse van biomaterialen te creëren met brede toepassingen, zoals het versterken van bouwmaterialen en auto-onderdelen.

Berekeningen met nauwkeurige modellen gebaseerd op de atomaire structuur van cellulose laten zien dat de kristallen een stijfheid hebben van 206 gigapascal, wat vergelijkbaar is met staal, zei Pablo D. Zavattieri, een Purdue University-assistent-professor civiele techniek.

"Dit is een materiaal dat werkelijk verbazingwekkende eigenschappen vertoont, "zei hij. "Het is overvloedig, hernieuwbaar en geproduceerd als afval in de papierindustrie."

De bevindingen worden gedetailleerd beschreven in een onderzoekspaper op de omslag van het decembernummer van het tijdschrift Cellulose .

"Het is erg moeilijk om de eigenschappen van deze kristallen experimenteel te meten omdat ze heel klein zijn, " zei Zavattieri. "Voor de eerste keer, we voorspelden hun eigenschappen met behulp van kwantummechanica."

De nanokristallen zijn ongeveer 3 nanometer breed en 500 nanometer lang - of ongeveer 1/1, 000ste van de breedte van een zandkorrel - waardoor ze te klein zijn om met lichtmicroscopen te bestuderen en moeilijk te meten met laboratoriuminstrumenten.

Het papier is geschreven door Purdue-promovendus Fernando L. Dri; Louis G. Hector Jr., een onderzoeker van het Chemical Sciences and Materials Systems Laboratory van het General Motors Research and Development Center; Robert J. Moon, een onderzoeker van het Forest Products Laboratory van de U.S. Forest Service; en Zavattieri.

De bevindingen vormen een mijlpaal in het begrijpen van het fundamentele mechanische gedrag van de cellulose-nanokristallen.

"Het is ook de eerste stap naar een multischaalmodelleringsaanpak om het gedrag van individuele kristallen te begrijpen en te voorspellen, de interactie tussen hen, en hun interactie met andere materialen, "Zei Zavattieri. "Dit is belangrijk voor het ontwerp van nieuwe materialen op basis van cellulose, aangezien andere onderzoeksgroepen ze overwegen voor een grote verscheidenheid aan toepassingen, variërend van elektronica en medische apparatuur tot structurele componenten voor de automobielindustrie, civiele en ruimtevaartindustrie."

De nanokristallen van cellulose vormen een potentieel groen alternatief voor koolstofnanobuisjes voor het versterken van materialen zoals polymeren en beton. Toepassingen voor biomaterialen gemaakt van nanokristallen van cellulose kunnen onder meer biologisch afbreekbare plastic zakken, textiel en wondverband; flexibele batterijen van elektrisch geleidend papier; nieuwe technologieën voor het afleveren van medicijnen; transparante flexibele displays voor elektronische apparaten; speciale filters voor waterzuivering; nieuwe soorten sensoren; en computergeheugen.

Cellulose kan afkomstig zijn van verschillende biologische bronnen, waaronder bomen, planten, algen, in de oceaan levende organismen die manteldieren worden genoemd, en bacteriën die een beschermend web van cellulose creëren.

"Met dit in gedachten, cellulose nanomaterialen zijn inherent hernieuwbaar, duurzaam, biologisch afbreekbaar en CO2-neutraal zoals de bronnen waaruit ze zijn gewonnen, "Zei Moon. "Ze hebben het potentieel om op industriële schaal te worden verwerkt en tegen lage kosten in vergelijking met andere materialen."

De productie van biomaterialen zou een natuurlijke uitbreiding kunnen zijn van de papier- en biobrandstofindustrie, gebruikmakend van technologie die al goed ingeburgerd is voor op cellulose gebaseerde materialen.

"Sommige bijproducten van de papierindustrie gaan nu naar het maken van biobrandstoffen, dus we kunnen gewoon een ander proces toevoegen om de overgebleven cellulose te gebruiken om een ​​composietmateriaal te maken, " zei Moon. "De cellulosekristallen zijn moeilijker af te breken tot suikers om vloeibare brandstof te maken. Dus laten we er een product van maken, voortbouwend op de bestaande infrastructuur van de pulp- en papierindustrie."

Hun oppervlak kan chemisch worden gewijzigd om verschillende oppervlakte-eigenschappen te bereiken.

"Bijvoorbeeld, misschien wil je het oppervlak aanpassen zodat het sterk bindt met een versterkend polymeer om een ​​nieuw type taai composietmateriaal te maken, of je wilt misschien de chemische eigenschappen veranderen zodat het zich anders gedraagt ​​met zijn omgeving, ' zei Maan.

Zavattieri is van plan zijn onderzoek uit te breiden om de eigenschappen van alfa-chitine te bestuderen, een materiaal uit de schalen van organismen, waaronder kreeften, krabben, weekdieren en insecten. Alfa-chitine lijkt vergelijkbare mechanische eigenschappen te hebben als cellulose.

"Dit materiaal is ook overvloedig, hernieuwbaar en afval van de voedingsindustrie, " hij zei.