Figura 1. L'analisi della distribuzione risolta con pixel mostra che il ritardo ottico diminuisce con l'aumentare del grado di fibrillazione pulpare. Credito:Università di Osaka
I ricercatori dell'Istituto di ricerca scientifica e industriale dell'Università di Osaka hanno ideato un nuovo metodo per determinare il grado di fibrillazione nella pasta di legno. Sfruttando la birifrangenza ottica intrinseca della cellulosa, sono stati in grado di misurare il cambiamento morfologico attraverso la distribuzione del ritardo ottico. Questo lavoro può portare a una classificazione chiara e a un utilizzo intelligente della biomassa rinnovabile, nanofibre di cellulosa.
Cellulosa, il componente strutturale primario della maggior parte degli impianti, è stato raccolto dall'umanità per millenni come importante biomateriale per l'abbigliamento, carta, e strutture in legno. Più recentemente, sono state prodotte nanofibre di cellulosa, che hanno il vantaggio di varie funzionalità derivate dai cristalli a catena estesa che compongono la cellulosa, compresa la birifrangenza ottica. La birifrangenza si verifica quando la velocità effettiva della luce all'interno di un materiale dipende dalla sua polarizzazione; in questo caso, se la luce è polarizzata parallelamente o perpendicolarmente alle catene polimeriche.
Ora, un team di scienziati dell'Università di Osaka ha sviluppato un sistema di analisi ottica in grado di quantificare direttamente il grado di fibrillazione delle paste di legno. La fibrillazione è il processo di diminuzione dell'aggregazione delle molecole di cellulosa nelle fibre di polpa di microscala per formare fibre di nanoscala. Rispetto alla misurazione scrupolosa delle larghezze delle fibre con un microscopio elettronico, questa tecnica determina rapidamente e facilmente se le fibre di cellulosa sono allineate o disperse in orientamenti casuali. "Il nostro sistema offre criteri chiari e quantificabili per la classificazione della qualità delle nanofibre di cellulosa, " dice il primo autore Kojiro Uetani.
Figura 2. Distribuzione del ritardo ottico nelle sospensioni di polpa, che cambia in base al grado di fibrillazione. Credito:Università di Osaka
Ciò si ottiene osservando le fibre di cellulosa in una cella a flusso di quarzo con un microscopio a birifrangenza. Il campione è illuminato dal basso con luce polarizzata circolarmente, che ha un orientamento del campo elettrico che ruota nello spazio come un'elica. Le regioni delle fibre con grande birifrangenza causeranno un ritardo ottico maggiore nella fase della luce. Utilizzando un microscopio a birifrangenza, i ricercatori sono stati in grado di registrare questo valore pixel per pixel. Hanno scoperto che sia il ritardo ottico medio che la sua deviazione standard erano correlati al grado di fibrillazione. Grandi valori di ritardo sono stati associati a fibre della polpa intatte, mentre valori più piccoli sono stati osservati con struttura a palloncino in polpe fibrillanti, e valori molto piccoli si sono verificati con nanofibre disperse.
"Speriamo di promuovere il controllo preciso della struttura e l'uso avanzato di paste di legno e nanofibre di cellulosa, " afferma l'autore senior Masaya Nogi. Oltre ai risultati dell'articolo sopra descritto, il team ha anche confermato che è possibile determinare automaticamente il grado di fibrillazione di campioni di polpa sconosciuti mediante l'apprendimento profondo delle immagini di ritardo. Questo sistema dovrebbe portare a una definizione più chiara e automatica del grado di fibrillazione da parte dell'intelligenza artificiale (AI) in futuro e diventerà una tecnologia di analisi chiave per indicare la qualità dei materiali di cellulosa e delle nanofibre di cellulosa.
