Onderzoekers van de Universiteit van Maryland ontdekten onlangs dat papier van cellulosevezels taaier en sterker is naarmate de vezels kleiner worden. Voor een lange tijd, ingenieurs hebben gezocht naar een materiaal dat zowel sterk (bestand tegen niet-herstelbare vervorming) als taai (bestand tegen beschadiging) is.

"Kracht en taaiheid zijn vaak exclusief voor elkaar, " zei Teng Li, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan de UMD. "Bijvoorbeeld, een sterker materiaal heeft de neiging bros te zijn, zoals gietijzer of diamant."

Het UMD-team streefde naar de ontwikkeling van een sterk en taai materiaal door de mechanische eigenschappen van cellulose te onderzoeken, de meest overvloedige hernieuwbare biobron op aarde. Onderzoekers maakten papieren met verschillende maten cellulosevezels - allemaal te klein voor het oog om te zien - variërend in grootte van ongeveer 30 micrometer tot 10 nanometer. Het papier van 10 nanometer dikke vezels was 40 keer taaier en 130 keer sterker dan gewoon notebookpapier, die is gemaakt van cellulosevezels die duizend keer groter zijn.

"Deze bevindingen kunnen leiden tot een nieuwe klasse van hoogwaardige technische materialen die zowel sterk als taai zijn, een heilige graal in materiaalontwerp, " zei Li.

Hoogwaardige en toch lichtgewicht materialen op cellulosebasis kunnen op een dag conventionele structurele materialen (d.w.z. metalen) vervangen in toepassingen waar gewicht belangrijk is. Dit zou kunnen leiden, bijvoorbeeld, tot meer energiezuinige en "groene" voertuigen. In aanvulling, teamleden zeggen transparant cellulose-nanopapier kan mogelijk worden als functioneel substraat in flexibele elektronica, resulterend in papieren elektronica, bedrukbare zonnecellen en flexibele displays die veel aspecten van het dagelijks leven radicaal kunnen veranderen.

Cellulosevezels kunnen gemakkelijk veel waterstofbruggen vormen. Eenmaal gebroken, de waterstofbruggen kunnen zichzelf hervormen, waardoor het materiaal een 'zelfherstellende' kwaliteit krijgt. De UMD ontdekte dat hoe kleiner de cellulosevezels, hoe meer waterstofbruggen per vierkante oppervlakte. Dit betekent dat papier gemaakt van zeer kleine vezels zowel beter bij elkaar kan blijven als sneller opnieuw kan worden gevormd, dat is de sleutel voor cellulose-nanopapier om zowel sterk als taai te zijn.

"Het is nuttig om te weten waarom cellulose-nanopapier zowel sterk als taai is, vooral wanneer de onderliggende reden ook van toepassing is op veel andere materialen, " zei Liangbing Hu, assistent-professor materiaalkunde aan de UMD.

Bevestigen, de onderzoekers probeerden een soortgelijk experiment met koolstofnanobuisjes die qua grootte vergelijkbaar waren met de cellulosevezels. De koolstofnanobuisjes hadden veel zwakkere bindingen die ze bij elkaar hielden, dus onder spanning hielden ze het ook niet zo goed bij elkaar. Papier gemaakt van koolstofnanobuisjes is zwak, hoewel individuele nanobuisjes misschien wel het sterkste materiaal zijn dat ooit is gemaakt.

Een mogelijke toekomstige richting voor het onderzoek is de verbetering van de mechanische prestaties van koolstofnanobuisjespapier.

"Papier gemaakt van een netwerk van koolstofnanobuisjes is veel zwakker dan verwacht, "zei Li. "Inderdaad, het was een grote uitdaging om de uitstekende eigenschappen van koolstofnanobuisjes op nanoschaal naar macroschaal te vertalen. Onze onderzoeksresultaten werpen licht op een levensvatbare benadering om deze uitdaging aan te gaan en koolstof nanobuispapier te bereiken dat zowel sterk als taai is."