Los mismos diminutos cristales de celulosa que dan a los árboles y a las plantas su alta resistencia, peso ligero y resistencia, ahora se ha demostrado que tienen la rigidez del acero.

Los nanocristales podrían usarse para crear una nueva clase de biomateriales con una amplia gama de aplicaciones, como el fortalecimiento de materiales de construcción y componentes automotrices.

Los cálculos que utilizan modelos precisos basados ​​en la estructura atómica de la celulosa muestran que los cristales tienen una rigidez de 206 gigapascales, que es comparable al acero, dijo Pablo D. Zavattieri, un profesor asistente de ingeniería civil de la Universidad de Purdue.

"Este es un material que muestra propiedades realmente asombrosas, ", dijo." Es abundante, renovable y producido como residuo en la industria del papel ".

Los hallazgos se detallan en un artículo de investigación que aparece en la portada de la edición de diciembre de la revista. Celulosa .

"Es muy difícil medir las propiedades de estos cristales experimentalmente porque son realmente diminutos, "Zavattieri dijo." Por primera vez, predecimos sus propiedades utilizando la mecánica cuántica ".

Los nanocristales tienen aproximadamente 3 nanómetros de ancho por 500 nanómetros de largo, o aproximadamente 1/1, 000th del ancho de un grano de arena, lo que los hace demasiado pequeños para estudiarlos con microscopios ópticos y difíciles de medir con instrumentos de laboratorio.

El artículo fue escrito por el estudiante de doctorado de Purdue, Fernando L. Dri; Louis G. Héctor Jr., investigador del Laboratorio de Ciencias Químicas y Sistemas de Materiales del Centro de Investigación y Desarrollo de General Motors; Robert J. Moon, un investigador del Laboratorio de Productos Forestales del Servicio Forestal de los Estados Unidos; y Zavattieri.

Los hallazgos representan un hito en la comprensión del comportamiento mecánico fundamental de los nanocristales de celulosa.

"También es el primer paso hacia un enfoque de modelado multiescala para comprender y predecir el comportamiento de cristales individuales, la interacción entre ellos, y su interacción con otros materiales, "Esto es importante para el diseño de nuevos materiales a base de celulosa", dijo Zavattieri. "Esto es importante para el diseño de nuevos materiales basados ​​en celulosa, ya que otros grupos de investigación los están considerando para una gran variedad de aplicaciones". desde dispositivos electrónicos y médicos hasta componentes estructurales para la automoción, industrias civil y aeroespacial ".

Los nanocristales de celulosa representan una alternativa verde potencial a los nanotubos de carbono para materiales de refuerzo como polímeros y hormigón. Las aplicaciones de biomateriales fabricados a partir de nanocristales de celulosa pueden incluir bolsas de plástico biodegradables, tejidos y apósitos para heridas; baterías flexibles hechas de papel conductor de electricidad; nuevas tecnologías de administración de fármacos; pantallas transparentes flexibles para dispositivos electrónicos; filtros especiales para la depuración de agua; nuevos tipos de sensores; y memoria de computadora.

La celulosa podría provenir de una variedad de fuentes biológicas, incluidos árboles, plantas algas, organismos que habitan en el océano llamados tunicados, y bacterias que crean una red protectora de celulosa.

"Teniendo esto en cuenta, los nanomateriales de celulosa son inherentemente renovables, sostenible, biodegradables y neutrales en carbono como las fuentes de las que se extrajeron, ", Dijo Moon." Tienen el potencial de ser procesados ​​en cantidades a escala industrial y a bajo costo en comparación con otros materiales ".

La fabricación de biomateriales podría ser una extensión natural de las industrias del papel y los biocombustibles, utilizando tecnología que ya está bien establecida para materiales a base de celulosa.

"Algunos de los subproductos de la industria del papel ahora se destinan a la fabricación de biocombustibles, por lo que podríamos agregar otro proceso para usar la celulosa sobrante para hacer un material compuesto, "Moon dijo." Los cristales de celulosa son más difíciles de descomponer en azúcares para hacer combustible líquido. Así que hagamos un producto con eso sobre la base de la infraestructura existente de la industria de la pulpa y el papel ".

Su superficie puede modificarse químicamente para lograr diferentes propiedades superficiales.

"Por ejemplo, es posible que desee modificar la superficie para que se adhiera fuertemente con un polímero de refuerzo para hacer un nuevo tipo de material compuesto resistente, o tal vez desee cambiar las características químicas para que se comporte de manera diferente con su entorno, "Dijo Moon.

Zavattieri planea ampliar su investigación para estudiar las propiedades de la alfa-quitina, un material de los caparazones de organismos, incluidas las langostas, cangrejos moluscos e insectos. La alfa-quitina parece tener propiedades mecánicas similares a las de la celulosa.

"Este material también es abundante, renovables y residuos de la industria alimentaria, " él dijo.