I fisici dell'Università del Lussemburgo hanno recentemente compiuto significativi passi avanti nel risolvere alcune delle questioni di ricerca in sospeso sulla cellulosa. I loro risultati sono stati pubblicati su prestigiose riviste Angewandte Chemie e Materiali di comunicazione .

La cellulosa è ovunque

Cosa fanno i tuoi jeans, broccoli, carta, hanno in comune gli alberi della foresta e una delle nanoparticelle più calde nell'attuale ricerca internazionale sui materiali? Per quanto non correlati possano sembrare a prima vista questi elementi, sono tutti fatti della cellulosa polimerica. In realtà non è così sorprendente che la cellulosa appaia in così tanti contesti, perché è il singolo polimero più abbondante sulla terra, sintetizzato in ogni pianta per darle forza e struttura. Da tempi antichi, l'umanità ha capito di usare questo materiale straordinario, trasformandolo in carta su cui scrivere, fibre di cotone per confezionare abiti, e durante l'era industriale in materiali correlati come il cellophane per l'imballaggio, nitrocellulosa per smalti e pellicole fotografiche, o idrossipropilcellulosa (HPC) per creare la forma e il volume della pillola che prendi quando hai bisogno di ottenere qualche milligrammo di medicinale. Mentre l'HPC costituisce circa il 99% della pillola, questo non è digerito, proprio come non riusciamo a digerire la cellulosa naturale dei broccoli quando li mangiamo. Ancora, che la cellulosa è fondamentale per far funzionare bene il nostro intestino; ciò che viene spesso definito "fibra" negli alimenti non è altro che cellulosa.

Oggi, la cellulosa come materiale avanzato sta vivendo una rinascita, come scienziati di tutto il mondo, nelle università come nell'industria, stanno scoprendo nuovi modi per sfruttare le sue straordinarie proprietà. Questo nuovo sviluppo si basa sul riconoscimento che la cellulosa e i derivati ​​come l'HPC possono auto-organizzarsi in strutture ordinate complesse, con spettacolari proprietà ottiche e meccaniche, quando sospeso o sciolto in acqua nelle giuste condizioni. Quando la cellulosa entra in questo stato liquido ordinato, chiamato 'cristallo liquido, ' si apre a materiali funzionali con una gamma di opportunità applicative, prodotti in modo sostenibile e completamente biodegradabili, lasciando un'impronta minima sul nostro pianeta. Questo perché sono derivati ​​da piante, alghe e altre materie prime abbondanti in ricrescita. Però, i processi coinvolti sono complessi, e per ottenere le giuste proprietà nei materiali prodotti, molte domande impegnative, ma anche stimolanti, in chimica e fisica devono essere risolte.

I cristalli liquidi sono davvero importanti

In due articoli appena pubblicati su prestigiose riviste Angewandte Chemie e materiali di comunicazione, rispettivamente, il gruppo di fisica sperimentale della materia soffice, guidato dal Prof. Jan Lagerwall presso il Dipartimento di Fisica e Scienza dei Materiali dell'Università del Lussemburgo, presenta significativi passi avanti nella risoluzione di alcune delle questioni di ricerca in sospeso che si frappongono tra l'abbondante risorsa di cellulosa generosamente fornita da Madre Natura e i materiali avanzati che speriamo di ricavare da essa. Entrambi i documenti riassumono la ricerca finanziata dal Fondo nazionale di ricerca lussemburghese FNR (progetti COReLIGHT, SSh e MISONANZA).

Nella prima carta, Emmanouil Anyfantakis, ricercatore post-dottorato presso l'Università del Lussemburgo, e collaboratori presentano un modo radicalmente nuovo di elaborare soluzioni HPC, permettendo loro di essere preparati e manipolati a basse concentrazioni dove scorrono facilmente. Una volta che hanno acquisito la loro forma target, in questo caso una sfera di circa un millimetro denominata "biglie di cristalli liquidi", la concentrazione viene aumentata in modo molto controllato lasciando che l'acqua in eccesso si diffonda in un solvente organico circostante, che può essere riutilizzato dopo il processo. Le biglie a cristalli liquidi mostrano proprietà ottiche sorprendenti grazie alla disposizione dell'HPC in una struttura ad elica con periodo della stessa scala della lunghezza d'onda della luce visibile.

"Sorprendentemente, questo tipo di colore strutturale è presente in tutto il marmo, che non è quello che ci si aspetta da questo tipo di cristalli liquidi di forma sferica, e il colore può essere sintonizzato su tutto lo spettro visibile, dal viola al rosso. Abbiamo dimostrato che le biglie possono essere utilizzate come non elettroniche (e quindi autonome, cioè non è necessaria alcuna batteria o altra fonte di alimentazione) sensori di molti stimoli diversi, compresa la temperatura, deformazione meccanica e presenza di sostanze chimiche tossiche. Ad esempio, un marmo HPC a cristalli liquidi inizialmente preparato per il colore verde si trasforma in rosso e infine perde il suo colore quando esposto all'alcool tossico metanolo, " spiega Emmanouil Anyfantakis.

Nella seconda carta, Il prof. Jan Lagerwall e la sua ex dottoranda Camila Honorato-Rios, ora ingegnere R&S presso l'Istituto lussemburghese di scienza e tecnologia (LIST), si sono concentrati sulla pura cellulosa, qui sotto forma di nanocristalli di cellulosa (CNC). Si tratta di nanobarre di cellulosa cristallina lunghe poche centinaia di nanometri e larghe circa 5-10 nanometri. Anche i CNC formano una fase a cristalli liquidi in acqua con le aste che si organizzano in una struttura elicoidale. I CNC costituiscono oggi uno dei nanomateriali più in voga, poiché sono prodotti in modo sostenibile e possono essere molto utili sia da soli che nei compositi. Sfortunatamente, i loro metodi di produzione lasciano i nanotubi molto dispersi in lunghezza, cioè., ogni lotto CNC contiene molte aste lunghe e molte corte.

"Nel giornale, 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, rispettivamente, " explains Camila Honorato-Rios.

È importante sottolineare che 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, per la prima volta, 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.