theoretisch, nanocellulose zou het volgende hete supermateriaal kunnen zijn.

Een klasse van biologische materialen die in tal van natuurlijke systemen wordt aangetroffen, vooral bomen, cellulose-nanokristallen hebben de aandacht van onderzoekers getrokken vanwege hun extreme sterkte, taaiheid, lichtgewicht, en elasticiteit. De materialen zijn zo sterk en taai, in feite, dat veel mensen denken dat ze Kevlar kunnen vervangen in ballistische vesten en gevechtshelmen voor militairen. In tegenstelling tot hun bronmateriaal (hout), cellulose nanokristallen zijn transparant, waardoor ze opwindende kandidaten zijn voor beschermende brillen, ramen, of weergaven.

Hoewel er veel opwinding is rond het idee van op nanocellulose gebaseerde materialen, de realiteit valt vaak plat.

"Het is moeilijk om deze theoretische eigenschappen te materialiseren in experimenten, "Zei Sinan Keten van Northwestern Engineering. "Onderzoekers zullen composietmaterialen maken met nanocellulose en ontdekken dat ze niet aan de theorie voldoen."

Keten, een assistent-professor mechanische, civiel, en milieutechniek aan de McCormick School of Engineering van de Northwestern University, en zijn team brengen de wereld een stap dichter bij een material-by-design-benadering voor de ontwikkeling van nanocomposieten met cellulose. Ze hebben een roman ontwikkeld, multi-schaal computationeel raamwerk dat verklaart waarom deze experimenten niet het ideale materiaal opleveren en oplossingen voorstelt om deze tekortkomingen op te lossen, specifiek door de oppervlaktechemie van cellulose-nanokristallen te wijzigen om een ​​grotere waterstofbinding met polymeren te bereiken.

Ondersteund door het Army Research Office en het National Institute of Standards and Technology, het onderzoek verschijnt in het septembernummer van Nano-letters . Xin Qin en Wenjie Xia, afgestudeerde studenten in het lab van Keten, zijn co-eerste auteurs van het papier. Robert Sinko, nog een afgestudeerde in het lab van Keten, heeft ook meegewerkt aan het onderzoek.

Gevonden binnen de celwanden van hout, cellulose-nanokristallen zijn een ideale kandidaat voor polymere nanocomposieten - materialen waarin een synthetische polymeermatrix is ​​ingebed met vulstofdeeltjes op nanoschaal. Nanocomposieten zijn gewoonlijk synthetische vulstoffen, zoals silica, klei, of roet, en worden gebruikt in een groot aantal toepassingen, variërend van banden tot biomaterialen.

"Cellulose-nanokristallen zijn een aantrekkelijk alternatief omdat ze van nature biologisch beschikbaar zijn, hernieuwbaar, niet giftig, en relatief goedkoop, "Zei Keten. "En ze kunnen gemakkelijk worden gewonnen uit bijproducten van houtpulp uit de papierindustrie."

Er ontstaan ​​problemen, echter, wanneer onderzoekers de nanocellulosevulstofdeeltjes proberen te combineren met de polymeermatrix. Het veld heeft geen inzicht in hoe de hoeveelheid vulstof de algehele eigenschappen van het composiet beïnvloedt, evenals de aard van de interacties op nanoschaal tussen de matrix en de vulstof.

De oplossing van Keten verbetert dit begrip door te focussen op de lengteschalen van de materialen in plaats van op de aard van de materialen zelf. Door te begrijpen welke factoren eigenschappen op atomaire schaal beïnvloeden, zijn computationele benadering kan de eigenschappen van het nanocomposiet voorspellen naarmate het groter wordt - met een minimale behoefte aan experimenten.

"In plaats van alleen een materiaal te produceren en het vervolgens te testen om te zien wat de eigenschappen zijn, in plaats daarvan stemmen we ontwerpparameters strategisch af om materialen te ontwikkelen met een gerichte eigenschap in gedachten, " zei Sinko. "Als je muziek egaliseert, je kunt aan de knoppen draaien om de bas aan te passen, drievoudig, enz. om een ​​gewenst geluid te produceren. In materialen-by-design, we kunnen op dezelfde manier 'aan de knoppen draaien' van specifieke parameters om de resulterende eigenschappen aan te passen."