Ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST), in collaborazione con l'U.S. Government Publishing Office (GPO), hanno sviluppato un romanzo, metodo non distruttivo per misurare rapidamente i componenti in fibra legnosa e non legnosa nella carta.

L'identificazione e la misurazione del rapporto tra le fibre vegetali utilizzate per fabbricare la carta ha un'ampia applicazione nella medicina legale, conservare l'arte, autenticare documenti storici, valutare il contenuto della carta riciclata e garantire che i passaporti e altri documenti del governo degli Stati Uniti siano stampati sulla carta di sicurezza richiesta.

Per esempio, documenti governativi di alta qualità sono spesso creati con fibre non legnose come il cotone. Le fibre derivate dal legno rendono la carta più fragile nel tempo e possono aiutare a rivelarne l'età. Gli investigatori forensi sulla scena del crimine spesso cercano il trasferimento di materiali tra individui; tali materiali includono i tipi di fibre presenti nella carta.

Nonostante la sua importanza, l'attuale metodo di analisi della carta è cambiato poco da quando la tecnologa delle fibre Mary Rollins del NIST (allora noto come National Bureau of Standards) ha contribuito a creare il metodo negli anni '20 e '30. Per gli standard moderni, però, la tecnica è laboriosa, dispendioso in termini di tempo e altamente soggettivo. Il processo richiede anche il sacrificio di una parte del campione di carta, che può essere limitato e necessario per le prove.

Per liberare singole fibre nel campione, la carta deve essere bollita in acqua, macerato (ammorbidito) con una bacchetta di vetro e trattato con diversi prodotti chimici. Quindi un contagocce pieno della soluzione di fibre viene posto su un vetrino da microscopio ad asciugare. Prossimo, lo iodio macchia la fibra per renderla visibile. Quindi, l'analista deve fare affidamento sulla sua memoria e sull'acuità visiva per abbinare la forma delle fibre macchiate alle immagini da manuale di circa 100 fibre vegetali.

Gli scienziati del NIST Yaw Obeng, Jan Obrzut e Dianne Poster, insieme al ricercatore ospite del NIST Michael Postek e alla loro collega Mary Kombolias del GPO, hanno ora portato l'analisi delle fibre della carta nel 21° secolo, utilizzando un metodo recentemente utilizzato per esaminare l'invecchiamento del materiale nei dispositivi di microelettronica su chip semiconduttori. Le loro misurazioni possono essere eseguite in pochi minuti e lasciano intatto l'intero foglio di carta.

La tecnica, nota come spettroscopia dielettrica, identifica la composizione dei materiali esaminando come particolari molecole rispondono a un campo elettrico in rapida evoluzione. Nell'adattare la tecnica alla carta, i ricercatori si sono concentrati sul comportamento delle molecole d'acqua, che vengono aggiunti durante il processo di fabbricazione e sono anche un componente chiave delle fibre vegetali utilizzate per fare la carta. (Le molecole d'acqua sono un piccolo ma importante costituente della carta secca.)

Le microonde che brillano su un foglio di carta inducono le molecole a ruotare. La velocità con cui le molecole d'acqua ruotano nella carta è diversa dalla velocità con cui ruoterebbero nello spazio libero. Questo perché le molecole d'acqua nelle fibre sono legate ai polimeri naturali e ad altri materiali nella carta, che influenzano la velocità di rotazione. La specifica frequenza con cui ruotano le molecole d'acqua fornisce quindi un indizio sull'ambiente chimico delle molecole d'acqua e quindi sul contenuto della carta.

Le molecole d'acqua forniscono eccellenti sonde della composizione della carta in cui risiedono. L'acqua è una molecola polare, il che significa che le sue cariche positive e negative sono leggermente separate l'una dall'altra. Per effetto di questa separazione, un'estremità di una molecola d'acqua ha una carica positiva mentre l'altra estremità ha una carica negativa. Quando un campo elettrico alternato viene applicato alla carta, la polarità delle molecole d'acqua si allinea con la direzione del campo elettrico. Quando il campo inverte la direzione, che accade molti miliardi di volte al secondo, le molecole d'acqua cercano di seguirne l'esempio, invertendo la loro polarità in sincronia con il campo. Ma la partita non è perfetta.

Ciò è in gran parte dovuto al fatto che la risposta delle molecole d'acqua dipende dalla composizione della carta, in particolare dalla natura dei polimeri a cui sono legate le molecole d'acqua. Ad esempio, lignina, un polimero nelle pareti cellulari delle piante che rende le piante rigide e legnose, rallenterà significativamente la velocità con cui le molecole d'acqua possono invertire il loro orientamento quando viene applicato un campo elettrico alternato. La registrazione del tasso di risposta delle molecole d'acqua fornisce quindi una misura altamente sensibile del tipo di fibre vegetali e della loro concentrazione in un campione di carta.

"La rapidità con cui le molecole d'acqua si adattano al campo elettrico alternato ci dice molto sulla composizione della carta, " ha detto Obeng.

I ricercatori hanno riportato le loro scoperte in un recente numero di Tappi Journal , che comprende la ricerca sui prodotti forestali e le industrie connesse.

Il gruppo, insieme ad altri scienziati, sta ora esplorando come lo stesso metodo potrebbe essere utilizzato per rilevare i batteri nocivi sulle superfici nelle stanze d'ospedale, e su pesce pescato di recente e altri alimenti deperibili. La tecnica può funzionare perché proprio come le molecole d'acqua, alcuni batteri hanno un modo caratteristico di riorientarsi in presenza di una corrente elettrica alternata e di rilassarsi quando la corrente viene interrotta.