La lignina è una materia prima promettente (a sinistra) per la produzione di termoplastici (a destra). Credito:KTH Stoccolma, Marcus Jawerth
Il biopolimero lignina è un sottoprodotto della fabbricazione della carta e una materia prima promettente per la produzione di materiali plastici sostenibili. Però, la qualità di questo prodotto naturale non è uniforme come quella delle plastiche a base di petrolio. Un'analisi ai raggi X effettuata presso DESY rivela per la prima volta come la struttura molecolare interna di diversi prodotti di lignina sia correlata alle proprietà macroscopiche dei rispettivi materiali. Lo studio, che è stato pubblicato sulla rivista Materiali polimerici applicati ACS , fornisce un approccio per una comprensione sistematica della lignina come materia prima per consentire la produzione di bioplastiche a base di lignina con proprietà diverse, a seconda dell'applicazione specifica.
La lignina è una classe di polimeri organici complessi e responsabile della stabilità delle piante, irrigidendoli e rendendoli "legnosi" (cioè lignificazione). Durante la produzione della carta, la lignina viene separata dalla cellulosa. La lignina forma i cosiddetti composti aromatici, che svolgono anche un ruolo chiave nella produzione di polimeri sintetici o materie plastiche. "La lignina è la più grande fonte di composti aromatici naturali, ma fino ad ora è stato visto dall'industria cartaria principalmente come un sottoprodotto o un combustibile, " spiega Mats Johansson del Royal Institute of Technology (KTH) di Stoccolma, che ha guidato il gruppo di ricerca. "Milioni di tonnellate vengono prodotte ogni anno, fornendo un flusso costante di materie prime per nuovi potenziali prodotti."
Esistono già alcune prime applicazioni di plastiche dure a base di lignina (termoindurenti). Però, le loro proprietà spesso variano e fino ad ora è stato difficile controllarle in modo specifico. Il team svedese ha ora fatto luce sulla nanostruttura di diverse frazioni di lignina disponibile in commercio presso la sorgente di raggi X PETRA III di DESY. "Si scopre che ci sono frazioni di lignina con domini più grandi e più piccoli, " riferisce l'autore principale Marcus Jawerth, del KTH di Stoccolma. "Questo può offrire alcuni vantaggi, a seconda della particolare applicazione:rende la lignina più dura o più morbida alterando la cosiddetta temperatura di transizione vetrosa alla quale il biopolimero assume uno stato viscoso."
Tra l'altro, l'analisi ai raggi X ha rivelato che quei tipi di lignina i cui anelli benzenici centrali sono disposti a forma di T sono particolarmente stabili. "La struttura molecolare influenza le proprietà meccaniche macroscopiche, " spiega Stephan Roth di DESY, chi è responsabile della linea di luce P03 in cui sono stati condotti gli esperimenti e chi è coautore dell'articolo. "Questa è la prima volta che questo è stato caratterizzato." Come prodotto naturale, la lignina è disponibile in numerose configurazioni diverse. Sono necessari ulteriori studi per fornire una panoramica sistematica di come i diversi parametri influenzano le proprietà della lignina. "Questo è molto importante per poter produrre materiali riproducibili, e in particolare per prevederne le proprietà, "dice Roth, che è anche professore al KTH di Stoccolma. "Se vuoi utilizzare un materiale industrialmente, è necessario comprendere la sua struttura molecolare e sapere come è correlata con le proprietà meccaniche".
Secondo Jawerth, fino a due terzi della lignina prodotta durante il processo di produzione della carta potrebbero essere trasformati in poliesteri e servire come materiale di partenza per la produzione di materie plastiche. "Insieme a cellulosa e chitina, la lignina è uno dei composti organici più diffusi sulla Terra e offre un enorme potenziale per sostituire la plastica a base di petrolio, " dice lo scienziato. "È troppo prezioso bruciarlo semplicemente".