Los mismos cristales diminutos de celulosa que dan a los árboles y plantas su alta resistencia y peso ligero ahora se ha demostrado que poseen la rigidez del acero. Por ello, los nanocristales podrían utilizarse para crear una nueva clase de biomateriales con amplias aplicaciones, como fortalecimiento de materiales de construcción y componentes de automoción.
Los cálculos utilizando modelos precisos basados en la estructura atómica de celulosa muestran que los cristales tienen una rigidez de 206 gigapascals, que es comparable al acero, declaró Pablo D. Zavattieri, profesor de Universidad de Purdue de ingeniería civil.
“Este es un material que está mostrando propiedades realmente increíbles”,
dijo.
“Es abundante, renovable y se produce como residuo en la industria del papel.”
Los resultados se detallan en un artículo de investigación aparecido en la portada de la edición de diciembre de la revista Cellulose.
“Es muy difícil de medir experimentalmente las propiedades de estos cristales porque son muy pequeños”, dijo Zavattieri.
“Por primera vez, predijimos sus propiedades mediante la mecánica cuántica”.
Los nanocristales tienen aproximadamente 3 nanómetros de ancho por 500 nanómetros largos
– aproximadamente 1/1,000 el ancho de un grano de arena –
haciéndolos demasiado pequeños para estudiar con microscopios ópticos y difíciles de medir con instrumentos de laboratorio.
La investigación fue realizada por el estudiante de doctorado de Purdue Fernando L. Dri; Louis G. Hector Jr., investigador de ciencias químicas y materiales del Systems Laboratory en el Centro de investigación y desarrollo General Motors , por Robert J. Moon, un investigador de Laboratorio de productos forestales de la U.S. Forest Servicey y por Zavattieri. Los resultados representan un hito en la comprensión fundamental del comportamiento mecánico de los nanocristales de celulosa.
“También es el primer paso hacia enfoque de modelado multiescala para entender y predecir el comportamiento de cristales individuales, la interacción entre ellos y su interacción con otros materiales”, dijo Zavattieri.
“Esto es importante para el diseño de nuevos materiales basados en celulosa como ya están considerando otros grupos de investigación aplicables a una gran variedad de aplicaciones, que van desde la electrónica y dispositivos médicos a componentes estructurales para la industria automotriz, civil y aeroespacial”.
Los nanocristales de celulosa representan una alternativa verde potencial a los nanotubos de carbono para el refuerzo de materiales tales como concreto y polímeros. Aplicaciones de biomateriales de la celulosa nanocristales podrían incluir las bolsas de plástico, textiles y vendajes biodegradable; baterías flexibles hechas de papel de conductora; nuevas tecnologías de administración de medicamentos; pantallas transparentes flexibles para los dispositivos electrónicos; filtros especiales para la purificación del agua; nuevos tipos de sensores; y memorias de ordenadores. La celulosa podría proceder de una variedad de fuentes biológicas incluyendo árboles, plantas, algas, organismos que habitan los océanos como los tunicados o bacterias que poseen una red protectora de celulosa.
“Con esto en mente, los nanomateriales son materiales inherentemente renovables, sostenibles, biodegradables y neutros en el balance global de carbono “,
dijo Moon y
“Tienen el potencial para ser procesados en escala industrial grandes cantidades y a bajo costo, en comparación con otros materiales”.
La fabricación de estos biomateriales podría ser una extensión natural de las industrias de papel y de los biocombustibles, utilizando la tecnología que ya está bien establecida para los materiales basados en celulosa.
“Algunos de los subproductos de la industria del papel se usan ahora para a fabricación de biocombustibles, así que podríamos añadir sólo otro proceso para utilizar la celulosa sobrante para hacer un material compuesto”,
dijo luna.
“Los cristales de celulosa difíciles de transformar en azúcares para fabricar biocombustibles. Así que vamos a hacer este producto, aprovechando la infraestructura existente de la industria de pulpa y papel.”
Su superficie puede ser modificada químicamente para lograr diferentes características superficiales.
“Por ejemplo, se podría modificar la superficie para que se vincule fuertemente con un polímero de refuerzo para hacer un nuevo tipo de material compuesto duro, o se podrían cambiar las características químicas de modo que se comporte de manera diferente con su entorno,”,
dijo Moon. Zavattieri planea extender la investigación para estudiar las propiedades de la alfa-quitina, un material de los caparazones de organismos como las langostas, cangrejos, moluscos e insectos. La Alfa-quitina parece tener propiedades mecánicas similares como celulosa.
“Este material también es abundante, renovable y es un residuo de la industria alimentaria”,
dijo.
La investigación fue financiada por el laboratorio de productos forestales a través del Departamento de Agricultura de Estados Unidos, la Fundación de investigación Purdue y la National Science Foundation.
