Van planten afgeleid composiet is zo hard als bot en zo taai als aluminium

De resultaten van het onderzoek staan ​​in het tijdschrift Cellulose. 

Het sterkste deel van een boom zit niet in zijn stam of zijn uitgestrekte wortels, maar in de wanden van zijn microscopisch kleine cellen. Een enkele houten celwand is opgebouwd uit vezels van cellulose – het meest voorkomende polymeer in de natuur. Binnen elke vezel bevinden zich versterkende nanokristallen van cellulose, of CNC’s, dit zijn ketens van organische polymeren die zijn gerangschikt in bijna perfecte kristalpatronen. Op nanoschaal zijn CNC’s sterker en stijver dan Kevlar. Als de kristallen in aanzienlijke fracties in materialen zouden kunnen worden verwerkt, zouden CNC’s een route kunnen zijn naar sterkere, duurzamere, natuurlijk afgeleide kunststoffen.

Nu heeft een MIT-team een ​​composiet ontwikkeld dat voornamelijk is gemaakt van nanokristallen van cellulose vermengd met een beetje synthetisch polymeer. De organische kristallen nemen 60 tot 90 procent van het materiaal in beslag – de hoogste fractie CNC’s die tot nu toe in een composiet is bereikt.

Volgens de onderzoekers is het op cellulose gebaseerde composiet sterker en taaier is dan sommige soorten bot, en harder dan typische aluminiumlegeringen. Het materiaal heeft een fysieke microstructuur die lijkt op parelemoer.

Het team kwam tot een recept voor het op CNC gebaseerde composiet dat kan worden ge-3D-print of gegoten. Ze printten het composiet in stukjes film ter grootte van een cent, die ze gebruikten om de sterkte en hardheid van het materiaal te testen. Ze vormden het composiet ook om tot een tand om te laten zien dat het materiaal ooit zou kunnen dienen om op cellulose gebaseerde tandheelkundige implantaten te maken – en dus ook andere plastic producten – die sterker, sterker en duurzamer zijn.

10 miljard ton cellulose per jaar

Elk jaar wordt meer dan 10 miljard ton cellulose gesynthetiseerd uit de schors, het hout of de bladeren van planten. Het grootste deel van deze cellulose wordt gebruikt om papier en textiel te maken, terwijl een deel ervan wordt verwerkt tot poeder voor gebruik in voedselverdikkingsmiddelen en cosmetica.

In de afgelopen jaren hebben wetenschappers het gebruik van nanokristallen van cellulose onderzocht, die via zure hydrolyse uit cellulosevezels kunnen worden geëxtraheerd. De uitzonderlijk sterke kristallen kunnen worden gebruikt als natuurlijke versterkingen in op polymeer gebaseerde materialen. Maar onderzoekers zijn er alleen in geslaagd lage fracties van CNC’s op te nemen, omdat de kristallen de neiging hebben te klonteren en zich slechts zwak hechten aan polymeermoleculen.

Hoogleraar werktuigbouwkunde A. John Hart en zijn collega’s wilden een composiet ontwikkelen met een hoog percentage CNC’s, dat ze konden vormen tot sterke, duurzame vormen. Ze begonnen met het mengen van een oplossing van synthetisch polymeer met commercieel verkrijgbaar CNC-poeder. Het team bepaalde de verhouding van CNC en polymeer die de oplossing in een gel zou veranderen, met een consistentie die zowel door het mondstuk van een 3D-printer kan worden gevoerd als in een mal kan worden gegoten. Ze gebruikten een ultrasone sonde om eventuele klontjes cellulose in de gel te breken, waardoor het waarschijnlijker werd dat de gedispergeerde cellulose sterke bindingen aangaat met polymeermoleculen. 

De- en reconstructie van hout

Ze voerden een deel van de gel door een 3D-printer en goten de rest in een mal. Vervolgens laten ze de afgedrukte monsters drogen. Tijdens het proces kromp het materiaal en bleef een solide composiet achter dat voornamelijk uit cellulose-nanokristallen bestond. "We hebben in feite hout gedeconstrueerd en gereconstrueerd", zei PhD-student Abhinav Rao. "We hebben de beste componenten van hout, dat zijn nanokristallen van cellulose, gebruikt en deze gereconstrueerd om een ​​nieuw composietmateriaal te verkrijgen." 

Baksteenpatroon

Interessant is dat toen het team de structuur van de composiet onder een microscoop onderzocht, ze zagen dat cellulosekorrels zich in een baksteen-en-mortelpatroon nestelden, vergelijkbaar met de architectuur van parelmoer. In parelmoer zorgt deze zigzaggende microstructuur ervoor dat een scheur niet dwars door het materiaal loopt. Dat vonden de onderzoekers ook bij hun nieuwe cellulosecomposiet.  

Ze testten de weerstand van het materiaal tegen scheuren, met behulp van gereedschappen om eerst scheuren op nanoschaal en vervolgens op microschaal te veroorzaken. Ze ontdekten dat, over meerdere schalen, de samenstelling van de cellulosekorrels van de composiet verhinderde dat de scheuren het materiaal splijten. Deze weerstand tegen plastische vervorming geeft het composiet een hardheid en stijfheid op de grens tussen conventionele kunststoffen en metalen.

In de toekomst zoekt het team naar manieren om het krimpen van gels tijdens het drogen te minimaliseren. Hoewel krimp niet zo’n groot probleem is bij het printen van kleine objecten, kan alles wat groter is, knikken of barsten als het composiet opdroogt. "Als je krimp zou kunnen vermijden, zou je kunnen blijven opschalen, misschien naar de meterschaal", zegt Rao. "Als we groot zouden dromen, zouden we een aanzienlijk deel van de kunststoffen kunnen vervangen door cellulosecomposieten."