Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), en colaboración con la Oficina de Publicaciones del Gobierno de EE. UU. (GPO), he desarrollado una novela, Método no destructivo para medir rápidamente los componentes de fibra de madera y no madera en papel.

La identificación y medición de la proporción de fibras vegetales utilizadas para fabricar papel tiene una amplia aplicación en la medicina forense, conservando el arte, autenticar documentos históricos, evaluar el contenido de papel reciclado y asegurarse de que los pasaportes y otros documentos del gobierno de los EE. UU. estén impresos en el papel de seguridad requerido.

Por ejemplo, Los documentos gubernamentales de alta calidad a menudo se crean con fibras que no son de madera, como el algodón. Las fibras derivadas de la madera hacen que el papel sea más quebradizo con el tiempo y pueden ayudar a revelar su edad. Los investigadores forenses en la escena del crimen a menudo buscan la transferencia de materiales entre individuos; tales materiales incluyen los tipos de fibras que se encuentran en el papel.

A pesar de su importancia, el método actual de análisis del papel ha cambiado poco desde que la tecnóloga de fibra Mary Rollins del NIST (entonces conocida como la Oficina Nacional de Estándares) ayudó a ser pionera en el método en las décadas de 1920 y 1930. Según los estándares modernos, sin embargo, la técnica es laboriosa, lleva mucho tiempo y es muy subjetivo. El proceso también requiere sacrificar una parte de la muestra de papel, lo cual puede ser limitado y necesario como evidencia.

Para liberar fibras individuales en la muestra, el papel debe hervirse en agua, macerado (ablandado) con una varilla de vidrio y tratado con varios productos químicos. Luego, se coloca un gotero lleno de la solución de fibra en un portaobjetos de microscopio para que se seque. Próximo, el yodo tiñe la fibra para hacerla visible. Luego, el analista debe confiar en su memoria y agudeza visual para hacer coincidir la forma de las fibras teñidas con las imágenes de libros de texto de unas 100 fibras vegetales.

Los científicos del NIST Yaw Obeng, Póster de Jan Obrzut y Dianne, junto con el investigador invitado del NIST Michael Postek y su colega Mary Kombolias de la GPO, han llevado el análisis de fibras del papel al siglo XXI, utilizando un método utilizado recientemente para examinar el envejecimiento del material en dispositivos microelectrónicos en chips semiconductores. Sus medidas se pueden realizar en minutos y dejar intacta toda la hoja de papel.

La técnica, conocida como espectroscopia dieléctrica, identifica la composición de los materiales examinando cómo las moléculas particulares responden a un campo eléctrico que cambia rápidamente. Al adaptar la técnica al papel, los investigadores se centraron en el comportamiento de las moléculas de agua, que se agregan durante el proceso de fabricación y también son un componente clave de las fibras vegetales que se utilizan para fabricar papel. (Las moléculas de agua son un componente pequeño pero importante del papel seco).

Las microondas que brillan sobre una hoja de papel inducen la rotación de las moléculas. La velocidad a la que giran las moléculas de agua en el papel difiere de la velocidad a la que girarían en el espacio libre. Eso es porque las moléculas de agua en las fibras están unidas a polímeros naturales y otros materiales en el papel, que afectan la tasa de rotación. Por tanto, la frecuencia específica a la que giran las moléculas de agua proporciona una pista sobre el entorno químico de las moléculas de agua y, por tanto, el contenido del papel.

Las moléculas de agua proporcionan excelentes sondas de la composición del papel en el que residen. El agua es una molecula polar, lo que significa que sus cargas positivas y negativas están ligeramente separadas entre sí. Como resultado de esta separación, un extremo de una molécula de agua tiene una carga positiva mientras que el otro extremo tiene una carga negativa. Cuando se aplica un campo eléctrico alterno al papel, la polaridad de las moléculas de agua se alinea con la dirección del campo eléctrico. Cuando el campo cambia de dirección, que sucede miles de millones de veces por segundo, las moléculas de agua intentan seguir su ejemplo, invirtiendo su polaridad en sincronía con el campo. Pero la combinación no es perfecta.

Eso se debe en gran parte a que la respuesta de las moléculas de agua depende de la composición del papel, específicamente de la naturaleza de los polímeros a los que se unen las moléculas de agua. Por ejemplo, lignina, un polímero en las paredes celulares de las plantas que las vuelve rígidas y leñosas, Disminuirá significativamente la velocidad a la que las moléculas de agua pueden cambiar su orientación cuando se aplica un campo eléctrico alterno. Por lo tanto, registrar la tasa de respuesta de las moléculas de agua proporciona una medida muy sensible del tipo de fibras vegetales y su concentración en una muestra de papel.

"La rapidez con que las moléculas de agua se ajustan al campo eléctrico alterno nos dice mucho sobre la composición del papel, "Dijo Obeng.

Los investigadores informaron sus hallazgos en una edición reciente de Diario Tappi , que incluye investigación sobre productos forestales e industrias relacionadas.

El equipo, junto con otros científicos, ahora está explorando cómo se podría utilizar el mismo método para detectar bacterias dañinas en las superficies de las habitaciones del hospital, y sobre el pescado recién capturado y otros alimentos perecederos. La técnica puede funcionar porque, al igual que las moléculas de agua, algunas bacterias tienen una forma distintiva de reorientarse en presencia de una corriente eléctrica alterna y relajarse cuando se corta la corriente.