Teoricamente, la nanocellulosa potrebbe essere il prossimo supermateriale caldo.

Una classe di materiali biologici trovati all'interno di numerosi sistemi naturali, soprattutto alberi, i nanocristalli di cellulosa hanno catturato l'attenzione dei ricercatori per la loro estrema resistenza, durezza, peso leggero, ed elasticità. I materiali sono così forti e resistenti, infatti, che molte persone pensano di poter sostituire il Kevlar nei giubbotti balistici e negli elmetti da combattimento per i militari. A differenza del loro materiale di partenza (legno), i nanocristalli di cellulosa sono trasparenti, rendendoli candidati interessanti per gli occhiali protettivi, finestre, o visualizza.

Sebbene ci sia molta eccitazione intorno all'idea di materiali a base di nanocellulosa, la realtà spesso cade piatta.

"È difficile che queste proprietà teoriche si materializzino negli esperimenti, " ha affermato Sinan Keten della Northwestern Engineering. "I ricercatori realizzeranno materiali compositi con nanocellulosa e scopriranno che non sono all'altezza della teoria".

Keten, un assistente professore di meccanica, civile, e ingegneria ambientale presso la McCormick School of Engineering della Northwestern University, e il suo team stanno portando il mondo un passo più vicino a un approccio material-by-design verso lo sviluppo di nanocompositi con cellulosa. Hanno sviluppato un romanzo, quadro computazionale multiscala che spiega perché questi esperimenti non producono il materiale ideale e propone soluzioni per correggere queste carenze, in particolare modificando la chimica superficiale dei nanocristalli di cellulosa per ottenere un maggiore legame idrogeno con i polimeri.

Supportato dall'Ufficio di ricerca dell'esercito e dall'Istituto nazionale di standard e tecnologia, la ricerca appare nel numero di settembre di Nano lettere . Xin Qin e Wenjie Xia, studenti laureati nel laboratorio di Keten, sono co-primi autori del documento. Robert Sinko, un altro laureato nel laboratorio di Keten, anche contribuito allo studio.

Trovato all'interno delle pareti cellulari del legno, i nanocristalli di cellulosa sono un candidato ideale per i nanocompositi polimerici, materiali in cui una matrice polimerica sintetica è incorporata con particelle di riempitivo su scala nanometrica. I nanocompositi sono comunemente riempitivi sintetici, come la silice, argilla, o nerofumo, e sono utilizzati in una miriade di applicazioni che vanno dai pneumatici ai biomateriali.

"I nanocristalli di cellulosa sono un'alternativa interessante perché sono naturalmente biodisponibili, rinnovabile, non tossico, e relativamente poco costoso, " Keten ha detto. "E possono essere facilmente estratti dai sottoprodotti della pasta di legno dell'industria della carta".

I problemi sorgono, però, quando i ricercatori cercano di combinare le particelle di riempitivo di nanocellulosa con la matrice polimerica. Il campo non ha compreso come la quantità di riempitivo influenzi le proprietà complessive del composito e la natura delle interazioni su scala nanometrica tra la matrice e il riempitivo.

La soluzione di Keten migliora questa comprensione concentrandosi sulle scale di lunghezza dei materiali piuttosto che sulla natura dei materiali stessi. Comprendendo quali fattori influenzano le proprietà su scala atomica, il suo approccio computazionale può prevedere le proprietà del nanocomposito man mano che aumenta di dimensioni, con una minima necessità di sperimentazione.

"Piuttosto che produrre un materiale e poi testarlo per vedere quali sono le sue proprietà, mettiamo invece a punto strategicamente i parametri di progettazione al fine di sviluppare materiali con una proprietà mirata in mente, " Disse Sinko. "Quando stai equalizzando la musica, puoi girare le manopole per regolare i bassi, alti, ecc. per produrre un suono desiderato. In material-by-design, allo stesso modo possiamo "girare le manopole" di parametri specifici per regolare le proprietà risultanti."