I ricercatori dell'Università del Maryland hanno recentemente scoperto che la carta fatta di fibre di cellulosa è più dura e più forte quanto più le fibre diventano piccole. Per molto tempo, gli ingegneri hanno cercato un materiale che sia sia forte (resistente alla deformazione irreversibile) che duro (tollerante ai danni).
"Forza e tenacia sono spesso esclusive l'una dell'altra, " disse Teng Li, professore associato di ingegneria meccanica presso UMD. "Per esempio, un materiale più forte tende ad essere fragile, come la ghisa o il diamante."
Il team UMD ha perseguito lo sviluppo di un materiale forte e tenace esplorando le proprietà meccaniche della cellulosa, la bio-risorsa rinnovabile più abbondante sulla Terra. I ricercatori hanno realizzato carte con fibre di cellulosa di diverse dimensioni, tutte troppo piccole per essere viste dall'occhio, di dimensioni comprese tra circa 30 micrometri e 10 nanometri. La carta fatta di fibre spesse 10 nanometri era 40 volte più resistente e 130 volte più resistente della normale carta per notebook, che è fatto di fibre di cellulosa mille volte più grandi.
"Questi risultati potrebbero portare a una nuova classe di materiali tecnici ad alte prestazioni che sono sia forti che resistenti, un Santo Graal nel design dei materiali, " disse Li.
I materiali a base di cellulosa ad alte prestazioni ma leggeri potrebbero un giorno sostituire i materiali strutturali convenzionali (cioè i metalli) in applicazioni in cui il peso è importante. Questo potrebbe portare, Per esempio, a veicoli più efficienti dal punto di vista energetico e "verdi". Inoltre, i membri del team dicono, la nanocarta di cellulosa trasparente può diventare fattibile come substrato funzionale nell'elettronica flessibile, con conseguente elettronica cartacea, celle solari stampabili e display flessibili che potrebbero cambiare radicalmente molti aspetti della vita quotidiana.
Le fibre di cellulosa possono facilmente formare molti legami idrogeno. Una volta rotto, i legami idrogeno possono riformarsi da soli, conferendo al materiale una qualità di "autoguarigione". L'UMD ha scoperto che più piccole sono le fibre di cellulosa, più legami idrogeno per area quadrata. Ciò significa che la carta composta da fibre molto piccole può tenere insieme meglio e riformarsi più rapidamente, che è la chiave affinché la nanocarta di cellulosa sia forte e resistente.
"È utile sapere perché la nanocarta di cellulosa è sia forte che resistente, soprattutto quando il motivo di fondo è applicabile anche a molti altri materiali, " ha detto Liangbing Hu, assistente professore di scienza dei materiali presso UMD.
Per confermare, i ricercatori hanno tentato un esperimento simile utilizzando nanotubi di carbonio di dimensioni simili alle fibre di cellulosa. I nanotubi di carbonio avevano legami molto più deboli che li tenevano insieme, quindi sotto tensione non si tenevano insieme. La carta fatta di nanotubi di carbonio è debole, sebbene i nanotubi individualmente siano probabilmente il materiale più resistente mai realizzato.
Una possibile direzione futura per la ricerca è il miglioramento delle prestazioni meccaniche della carta con nanotubi di carbonio.
"La carta composta da una rete di nanotubi di carbonio è molto più debole del previsto, " disse Li. "In effetti, è stata una grande sfida tradurre le superbe proprietà dei nanotubi di carbonio da nanoscala a macroscala. I risultati della nostra ricerca fanno luce su un approccio praticabile per affrontare questa sfida e ottenere una carta con nanotubi di carbonio che sia allo stesso tempo forte e resistente".
