Físicos de la Universidad de Luxemburgo han avanzado recientemente en la resolución de algunas de las cuestiones de investigación más destacadas sobre la celulosa. Sus hallazgos han sido publicados en las prestigiosas revistas Angewandte Chemie y Materiales de comunicación .

La celulosa está en todas partes

¿Qué hacen tus jeans? brócoli, papel, ¿Qué tienen en común los árboles en el bosque y una de las nanopartículas más calientes en la investigación actual de materiales internacionales? Por poco relacionados que parezcan estos elementos a primera vista, todos están hechos de polímero celulosa. En realidad, no es tan sorprendente que la celulosa aparezca en tantos contextos, porque es el polímero más abundante en la tierra, sintetizados en cada planta para darle fuerza y ​​estructura. Desde la antigüedad, la humanidad ha entendido cómo utilizar este asombroso material, convirtiéndolo en papel para escribir, fibras de algodón para confección de prendas de vestir, y durante la era industrial en materiales relacionados como celofán para embalaje, nitrocelulosa para esmaltes de uñas y películas fotográficas, o hidroxipropilcelulosa (HPC) para crear la forma y el volumen de la píldora que toma cuando necesita algunos miligramos de medicamento. Mientras que HPC constituye aproximadamente el 99% de la píldora, esto no se digiere, al igual que no podemos digerir la celulosa natural del brócoli cuando lo comemos. Todavía, que la celulosa es crucial para asegurar que nuestros intestinos funcionen bien; lo que a menudo se denomina "fibra" en los alimentos no es más que celulosa.

Hoy dia, la celulosa como material avanzado está renaciendo, como científicos de todo el mundo, tanto en las universidades como en la industria, están descubriendo nuevas formas de aprovechar sus notables propiedades. Este nuevo desarrollo se basa en el reconocimiento de que la celulosa y derivados como HPC pueden autoorganizarse en estructuras ordenadas complejas, con espectaculares propiedades ópticas y mecánicas, cuando se suspende o se disuelve en agua en las condiciones adecuadas. Cuando la celulosa entra en este estado líquido ordenado, llamado 'cristal líquido, 'abre para materiales funcionales con una gama de oportunidades de aplicación, que se producen de forma sostenible y son totalmente biodegradables, dejando una huella mínima en nuestro planeta. Esto se debe a que se derivan de plantas, algas y otras materias primas abundantes que vuelven a crecer. Sin embargo, los procesos involucrados son complejos, y para obtener las propiedades adecuadas en los materiales producidos, Hay que responder a muchas preguntas desafiantes, pero también estimulantes, tanto de química como de física.

El cristal líquido realmente importa

En dos artículos recién publicados en las prestigiosas revistas Angewandte Chemie y materiales de comunicación, respectivamente, el grupo Experimental Soft Matter Physics, dirigido por el profesor Jan Lagerwall del Departamento de Física y Ciencia de los Materiales de la Universidad de Luxemburgo, presenta importantes pasos hacia la resolución de algunas de las cuestiones de investigación más destacadas que se interponen entre el abundante recurso de celulosa proporcionado generosamente por la madre naturaleza y los materiales avanzados que esperamos obtener de él. Ambos artículos resumen la investigación financiada por el Fondo Nacional de Investigación de Luxemburgo FNR (proyectos COReLIGHT, SSh y MISONANCE).

En el primer artículo, Emmanouil Anyfantakis, investigador postdoctoral en la Universidad de Luxemburgo, y compañeros de trabajo presentan una forma radicalmente nueva de procesar soluciones HPC, permitiendo que se preparen y manipulen a bajas concentraciones donde fluyen fácilmente. Una vez que han adquirido su forma objetivo, en este caso una esfera de aproximadamente un milímetro denominada "canica de cristal líquido", la concentración aumenta de forma muy controlada al permitir que el exceso de agua se difunda en un disolvente orgánico circundante. que se puede reutilizar después del proceso. Los mármoles de cristal líquido exhiben propiedades ópticas sorprendentes gracias a la disposición del HPC en una estructura helicoidal con un período en la misma escala que la longitud de onda de la luz visible.

"Notablemente, este tipo de color estructural se ve en todo el mármol, que no es lo que se espera de este tipo de cristal líquido en forma esférica, y el color se puede ajustar en todo el espectro visible, de violeta a rojo. Hemos demostrado que las canicas se pueden utilizar como no electrónicas (y por lo tanto autónomas, es decir, no se necesita batería u otra fuente de energía) sensores de muchos estímulos diferentes, incluida la temperatura, deformación mecánica y presencia de productos químicos tóxicos. Por ejemplo, una canica de cristal líquido HPC inicialmente preparada para el color verde cambia a rojo y finalmente pierde su color cuando se expone al alcohol tóxico metanol, "explica Emmanouil Anyfantakis.

En el segundo artículo, Prof. Jan Lagerwall y su ex candidata a doctorado Camila Honorato-Rios, ahora ingeniero de I + D en el Instituto de Ciencia y Tecnología de Luxemburgo (LIST), se han centrado en la celulosa pura, aquí en forma de nanocristales de celulosa (CNC). Se trata de nanovarillas de celulosa cristalina que miden unos cientos de nanómetros de largo y unos 5-10 nanómetros de ancho. Además, los CNC forman una fase de cristal líquido en agua con las varillas organizándose en una estructura helicoidal. Los CNC constituyen uno de los nanomateriales más populares de la actualidad, ya que se producen de forma sostenible y pueden ser de gran utilidad tanto por sí mismos como en materiales compuestos. Desafortunadamente, sus métodos de producción dejan las nanovarillas muy dispersas en longitud, es decir., cada lote de CNC contiene muchas varillas largas y cortas.

"En el papel, we have shown that this length dispersity is one of the main reasons for the many problems in processing CNC suspensions and obtaining materials with uniform properties, because long- and short-rod suspensions have very different viscosities and the period of the liquid crystal helix gets shorter the longer the rod. The dispersity of lengths therefore mixes CNCs that would need to be processed on very different time scales, and when they are transferred into solid films that should benefit from the liquid crystalline order, they are broken up into mosaic-like brittle structures because of the competition between short and long rods to organize into long- and short-period helices, respectivamente, " explains Camila Honorato-Rios.

En tono rimbombante, the authors also provide the solution. Camila Honorato-Rios and Jan Lagerwall show that the phase separation between the liquid crystal phase and an ordinary disordered liquid, spontaneously taking place in CNC suspensions, can be used to fractionate CNC suspensions according to length. By using separatory funnels, a standard component of any chemistry lab, they divide the disperse CNC suspensions into individual fractions, each of which has a much narrower length distribution. This allows them, por primera vez, to study the behavior of long, medium and short CNCs individually. This way they produce solid films showing uniform and controlled structural color, without the mosaic texture. "Because the technique is easily scalable, this can be a game changer for the industrial exploitation of CNC. Following the fractionation procedure, CNC producers can provide samples with much lower dispersity, allowing customers to use this remarkable new, sustainably produced, nanomaterial in a way that maximizes its performance, " comments Prof. Jan Lagerwall with enthusiasm.