Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han combinado derivados de dos materiales excedentes (pulpa de madera y trozos secos de una plaga exótica invasora) para formar un nuevo material compuesto que es flexible, sostenible, no tóxico y reflectante de luz ultravioleta. El material, descrito en un nuevo artículo publicado en Materiales funcionales avanzados , pronto podría utilizarse en una amplia variedad de aplicaciones, incluido el envasado de alimentos, dispositivos biomédicos, construcción de edificios y diseño de automóviles, camiones y barcos.

La clave de este matrimonio improbable de madera y plagas es un motivo llamado "estructura Bouligand, "en el que las moléculas se apilan en forma retorcida, similar a pequeñas escaleras de caracol. Los científicos han aprendido que la estructura de Bouligand proporciona cierto tipo de resistencia al agrietamiento; la fuerza de un impacto es guiada por esos pequeños, nanométrico Giros y vueltas en forma de escalera a través de una serie de desvíos. En lugar de romper directamente, la energía de un golpe o choque se desvía así a través de una especie de camino tortuoso, dejando todo el material intacto y funcional.

Si bien la madera no tiene una estructura Bouligand natural, ha atraído a científicos durante décadas, en parte porque hay una gran cantidad de material sobrante después del procesamiento del papel y la madera comercial.

"La idea de fabricar productos útiles a partir de pulpa de madera ha intrigado a mucha gente en muchas industrias diferentes, "dice Jeff Gilman, quien lidera el equipo del proyecto de materiales compuestos en NIST.

Al lavar esa pulpa con ácido para eliminar su lignina y celulosa amorfa, Los científicos descubrieron hace varios años que podían crear una solución lechosa que finalmente se secaba para formar un nuevo material con estructura Bouligand. El componente clave de esta solución eran diminutas varillas cristalinas de celulosa, conocidos como nanocristales de celulosa o nanocelulosa. Sin embargo, en su propia, las películas de Bouligand derivadas de la pulpa son frágiles y no soportan mucho peso.

El equipo del NIST planteó la hipótesis de que combinar las varillas cortas de nanocelulosa derivadas de la madera con otro material natural con varillas cristalinas más largas daría como resultado algo nuevo que sería increíblemente fuerte y flexible. Con aditivos apropiados, este nuevo material podría usarse para crear películas que podrían ralentizar la difusión de agua y oxígeno.

"El producto adecuado, si se desarrolla, podría usarse en todo, desde compuestos aeroespaciales hasta envases que mantendrían los alimentos frescos, "Dijo Gilman.

Una opción para el nuevo material compuesto:los cadáveres de una criatura acuática seca llamada tunicado que se considera una plaga en algunos países y un delicioso manjar en otros.

En muchas partes de Asia, las criaturas acuáticas marrones Styela clava ) a menudo se cocinan y se sirven con salsas picantes. Pero sin la presencia de depredadores naturales para comerlos en nuevos entornos, sus poblaciones comienzan a crecer en números súper abundantes que eventualmente obstruyen los motores de los botes y los aparejos de pesca, superar a los peces nativos, reducir las poblaciones saludables de plancton y ensuciar y arruinar los bancos de mariscos productivos. Algunos administradores ambientales piensan que encontrar una manera de eliminarlos y utilizarlos como recurso podría tener un propósito beneficioso. Cosecharlos es una opción. Como una ostra el interior de un tunicado se considera la parte sabrosa. El exterior generalmente se tira a la basura, lo que significa que podría haber una fuente lista para este material en áreas donde a menudo se cocinan.

Lo que intrigó específicamente a los investigadores del NIST, sin embargo, era la estructura interna del tunicado, que estaba hecho de muy largo, nanocelulosa altamente cristalina. Estos eran diferentes de los cristales más cortos que se encuentran en la madera.

"Los tunicados se han destacado como el estándar de oro por sus propiedades físicas, "dijo Johan Foster de Virginia Tech University, quien es uno de los pocos equipos que trabajan en la recolección e investigación de tunicados en todo el mundo. Foster reunió y suministró los tunicados para el proyecto NIST desde un muelle en el oeste de Francia, donde los animales se consideran una especie molesta.

Algunos científicos habían asumido que un compuesto hecho completamente de nanocelulosa de tunicado cristalino largo sería increíblemente fuerte y resistente. Sin embargo, probando materiales compuestos secos mixtos de tunicado / madera, El autor principal, Bharath Natarajan, pudo identificar el punto exacto de mayor dureza.

"Si pones un poco de tunicado en el compuesto de pulpa de madera, lo hace un poco más rígido, y no se rompe tan rápido y se vuelve más flexible, "Dijo Natarajan." Ponga el 10 por ciento y es el doble de fuerte. Si su mezcla es 30 por ciento tunicada y 70 por ciento pulpa de madera, el compuesto resultante es de 15 a 20 veces más resistente. Pero después de eso, realmente no ves una mejora en la fuerza, y hay una reducción en la tenacidad ".

Los tunicados abundan, pero siguen siendo costosos de procesar, por lo que saber exactamente cuánto agregar es clave para ampliar su uso en el futuro, y por mantener asequibles los productos resultantes.

La adición de tunicados también provocó que los nanocristales se torcieran de una manera diferente y aceleró la formación de la estructura en la pulpa de madera. También formó un patrón que era más apretado y denso, haciendo que el nuevo material compuesto refleje los rayos UV.

"Muchos materiales comienzan a degradarse si se exponen al sol durante mucho tiempo, ", dijo Gilman." Este material podría potencialmente usarse como revestimiento en otras superficies para reflejar la luz y extender la durabilidad ".

En los próximos años, Natarajan y su equipo continuarán probando formas en las que su nueva mezcla de pulpa de madera y tunicados podría usarse para fabricar resilientes, compuestos flexibles y reflectantes de UV para su uso en la fabricación de materiales automóviles ligeros y vehículos aeroespaciales, entre otros productos.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.