Investigadores de la Universidad de Purdue que estudian si el concreto se fortalece al infundirlo con nanocristales de madera de tamaño microscópico se están moviendo del laboratorio al mundo real con un puente que se construirá en California esta primavera.

Los investigadores han estado trabajando con nanocristales de celulosa, subproductos generados por el papel, bioenergía, industrias de la agricultura y la pulpa, para encontrar la mejor mezcla para fortalecer el hormigón, el material fabricado por el hombre más común en el mundo.

"Simplemente llegar a un lugar donde la gente realmente pueda conducir, Creo, es un gran paso porque no se puede decir simplemente que es una curiosidad de laboratorio en ese momento. Tiene implicaciones en el mundo real, "dijo Jeffrey Youngblood, un profesor de Purdue de ingeniería de materiales.

El refuerzo del hormigón podría tener otras implicaciones, como hacer que los artículos hechos con concreto sean más delgados y livianos mientras conservan la misma resistencia con un beneficio secundario potencial de disminuir el dióxido de carbono liberado a la atmósfera. Las plantas de cemento representan aproximadamente el 8 por ciento de las emisiones globales de dióxido de carbono, una de las principales causas del cambio climático.

El catalizador de este cambio potencialmente transformador es un nanocristal de celulosa de unos 100 nanómetros de largo y 5 nanómetros de ancho. demasiado pequeño para ser visto con un microscopio ordinario. Solo se puede ver con un microscopio electrónico. Para tener perspectiva un cabello humano tiene alrededor de 100, 000 nanómetros de ancho. Sin embargo, la celulosa es el polímero más común en el mundo porque se puede obtener a partir de productos de madera, plantas bacterias y algas.

Los nanocristales de celulosa fortalecen el hormigón mediante una reacción química que aumenta la hidratación de las partículas de cemento. haciendo el hormigón más fuerte, dicen los investigadores. "La resistencia del hormigón se escala con el grado de hidratación. Por lo tanto, cuanto más hidratado está, cuanto más fuerte es, "Youngblood dijo." Así que pensarías que si agregas más agua sería más fuerte. El problema es, el agua agrega poros que la debilitan. Pero los nanocristales de celulosa mejoran la hidratación con menos agua, fortaleciendo el hormigón ".

Pablo Zavattieri, profesor de la Escuela de Ingeniería Civil Lyles, dijo que los nanocristales de celulosa proporcionan una vía para que el agua llegue a donde se necesita. No todas las partículas de cemento se hidratan cuando se mezcla el hormigón, lo que dificulta la resistencia y durabilidad del hormigón.

"Lo bueno de los nanocristales de celulosa es que crean una especie de riel para que el agua entre en una partícula, Dijo Zavattieri.

Jason Weiss, la Cátedra Distinguida Miles Lowell y Margaret Watt Edwards en Ingeniería en la Universidad Estatal de Oregon, quien anteriormente fue profesor en Purdue, dijo que los nanocristales de celulosa hacen que el concreto sea más eficiente porque se necesita menos masa para hacer algo que sea igualmente fuerte.

"Para que pueda ser más sostenible y más eficiente, " él dijo.

Youngblood dijo que otro beneficio es que el concreto con infusión de celulosa fragua más rápido, lo que significa menos tiempo de espera para que el concreto se cure cuando se utilizan encofrados para hacer puentes o para perforaciones petrolíferas.

"Porque cada día que un equipo está ahí fuera sin bombear petróleo es un día perdiendo dinero, "Dijo Youngblood. Muestras de cemento

Los investigadores dicen que el costo de usar los nanocristales de celulosa puede compensarse al poder usar menos cemento, pero no se ha determinado el costo exacto. Dicen que la amplitud del uso de los nanocristales de celulosa será un factor. Pero incluso si solo un pequeño porcentaje de todo el hormigón producido utiliza los nanocristales de celulosa, tendría un gran impacto solo porque el uso del concreto es tan omnipresente.

Los investigadores dicen que el trabajo de escalar al concreto y preparar el puente en California es una asociación entre Purdue, La Universidad Estatal de Oregon, P3Nano y otros. P3Nano es una asociación público-privada diseñada para apoyar la comercialización de nanomaterial celulósico. P3Nano ha participado activamente en las pruebas a gran escala y es el patrocinador del proyecto en la Universidad Estatal de Oregon para demostrar aplicaciones a gran escala de nanocristales de celulosa en puentes y losas planas. Aún no se ha determinado el puente exacto en California donde se utilizará el hormigón con infusión de celulosa.

Los investigadores de Purdue comenzaron a investigar la celulosa hace una década en colaboración con Robert Moon, un investigador del Laboratorio de Productos Forestales del Servicio Forestal de EE. UU., que tenía su base en Purdue en ese momento. El Servicio Forestal estaba buscando usos para enfermos, troncos dañados y de pequeño diámetro, que abundan en los bosques.

Sangre joven, que trabaja principalmente con plásticos, dijo que el desafío inicialmente era determinar dónde se podrían usar los nanocristales de celulosa solubles en agua. La idea de usarlo en concreto se le ocurrió mientras cavaba un agujero para postes y preparaba el concreto. Ahí es donde comenzó la investigación.

Youngblood dijo que los investigadores encontraron rápidamente que los nanocristales de celulosa fortalecían el concreto, pero no sabían por qué.

"Caminé hasta la oficina de Jason Weiss y le mostré los datos y me dijo que no debería funcionar porque los nanocristales de celulosa son demasiado pequeños. Fue entonces cuando nos dimos cuenta de que teníamos algo, porque si algo basado en cómo funcionan las cosas normalmente, basado en teorías o lo que sea, no debería funcionar y lo hace, ahí es cuando normalmente encuentras algo importante, "Dijo Youngblood." Así es como empezó todo ".

La investigación fue financiada en parte por la National Science Foundation. Weiss dijo que el trabajo de NSF condujo a pastas que se probaron y ayudaron a los investigadores a comprender que los nanocristales de celulosa no actúan como fibras convencionales, sino que alteran la microestructura.

Blaine Kunkel, CEO de Nano-Green Biorefineries Inc., que tiene un acuerdo de licencia con la Oficina de Comercialización de Tecnología de la Fundación de Investigación Purdue para comercializar la tecnología, dijo que la compañía está entusiasmada con el potencial de los nanocristales de celulosa.

"Vemos esto como una tecnología de transformación, " él dijo.