Gli stessi minuscoli cristalli di cellulosa che conferiscono ad alberi e piante la loro elevata resistenza, leggerezza e resistenza, hanno ora dimostrato di avere la rigidità dell'acciaio.

I nanocristalli potrebbero essere utilizzati per creare una nuova classe di biomateriali con applicazioni ad ampio raggio, come il rinforzo di materiali da costruzione e componenti automobilistici.

I calcoli che utilizzano modelli precisi basati sulla struttura atomica della cellulosa mostrano che i cristalli hanno una rigidità di 206 gigapascal, che è paragonabile all'acciaio, disse Pablo D. Zavattieri, un assistente professore di ingegneria civile della Purdue University.

"Questo è un materiale che sta mostrando proprietà davvero sorprendenti, " disse. "È abbondante, rinnovabili e prodotti come rifiuti nell'industria della carta."

I risultati sono dettagliati in un documento di ricerca presente sulla copertina del numero di dicembre della rivista Cellulosa .

"È molto difficile misurare sperimentalmente le proprietà di questi cristalli perché sono davvero minuscoli, — disse Zavattieri. — Per la prima volta, abbiamo previsto le loro proprietà usando la meccanica quantistica".

I nanocristalli sono larghi circa 3 nanometri per 500 nanometri di lunghezza - o circa 1/1, 000esimo della larghezza di un granello di sabbia - rendendoli troppo piccoli per essere studiati con microscopi ottici e difficili da misurare con strumenti di laboratorio.

Il documento è stato scritto dallo studente di dottorato di Purdue Fernando L. Dri; Louis G. Hector Jr., un ricercatore del Laboratorio di Scienze Chimiche e Sistemi dei Materiali presso il Centro di Ricerca e Sviluppo General Motors; Robert J. Moon, un ricercatore del Forest Products Laboratory del servizio forestale degli Stati Uniti; e Zavattieri.

I risultati rappresentano una pietra miliare nella comprensione del comportamento meccanico fondamentale dei nanocristalli di cellulosa.

"È anche il primo passo verso un approccio di modellazione multiscala per comprendere e prevedere il comportamento dei singoli cristalli, l'interazione tra loro, e la loro interazione con altri materiali, " Ha detto Zavattieri. "Questo è importante per la progettazione di nuovi materiali a base di cellulosa poiché altri gruppi di ricerca li stanno considerando per un'enorme varietà di applicazioni, spaziando dall'elettronica e dai dispositivi medici ai componenti strutturali per l'automotive, industrie civili e aerospaziali».

I nanocristalli di cellulosa rappresentano una potenziale alternativa green ai nanotubi di carbonio per il rinforzo di materiali come polimeri e cemento. Le applicazioni per i biomateriali realizzati dai nanocristalli di cellulosa potrebbero includere sacchetti di plastica biodegradabili, tessuti e medicazioni per ferite; batterie flessibili in carta elettricamente conduttiva; nuove tecnologie di somministrazione dei farmaci; display flessibili trasparenti per dispositivi elettronici; filtri speciali per la depurazione dell'acqua; nuovi tipi di sensori; e memoria del computer.

La cellulosa potrebbe provenire da una varietà di fonti biologiche tra cui alberi, impianti, alghe, organismi oceanici chiamati tunicati, e batteri che creano una rete protettiva di cellulosa.

"Con questo in testa, i nanomateriali di cellulosa sono intrinsecamente rinnovabili, sostenibile, biodegradabili e a zero emissioni di carbonio come le fonti da cui sono stati estratti, " Moon ha detto. "Hanno il potenziale per essere lavorati a quantità su scala industriale ea basso costo rispetto ad altri materiali".

La produzione di biomateriali potrebbe essere un'estensione naturale delle industrie della carta e dei biocarburanti, utilizzando una tecnologia già consolidata per i materiali a base di cellulosa.

"Alcuni dei sottoprodotti dell'industria della carta ora vanno alla produzione di biocarburanti, quindi potremmo semplicemente aggiungere un altro processo per utilizzare la cellulosa avanzata per creare un materiale composito, " Moon ha detto. "I cristalli di cellulosa sono più difficili da scomporre in zuccheri per produrre combustibile liquido. Quindi facciamone un prodotto, basandosi sull'infrastruttura esistente dell'industria della cellulosa e della carta".

La loro superficie può essere modificata chimicamente per ottenere diverse proprietà superficiali.

"Per esempio, potresti voler modificare la superficie in modo che si leghi fortemente con un polimero di rinforzo per creare un nuovo tipo di materiale composito resistente, o potresti voler cambiare le caratteristiche chimiche in modo che si comporti in modo diverso con il suo ambiente, " disse Luna.

Zavattieri intende estendere la sua ricerca allo studio delle proprietà dell'alfa-chitina, un materiale dai gusci di organismi tra cui aragoste, Granchi, molluschi e insetti. L'alfa-chitina sembra avere proprietà meccaniche simili a quelle della cellulosa.

"Anche questo materiale è abbondante, rinnovabili e rifiuti dell'industria alimentare, " Egli ha detto.