کامپوزیت جدید مشتق شده از گیاه مانند استخوان سخت و مانند آلومینیوم سخت است

قوی ترین قسمت درخت در تنه یا ریشه های پراکنده آن نیست، بلکه در دیواره های سلول های میکروسکوپی آن نهفته است.

یک دیوار سلولی چوبی از الیاف سلولز – فراوان‌ترین پلیمر طبیعت و جزء ساختاری اصلی همه گیاهان و جلبک‌ها – ساخته شده است. درون هر فیبر، نانوبلورهای سلولز یا CNC‌های تقویت‌کننده وجود دارد که زنجیره‌ای از پلیمرهای آلی هستند که در الگوهای بلوری تقریباً کاملی چیده شده‌اند. در مقیاس نانو، CNC ها قوی تر و سفت تر از کولار هستند. اگر بتوان کریستال‌ها را در بخش‌های قابل‌توجهی به مواد تبدیل کرد، CNC‌ها می‌توانند راهی به سوی پلاستیک‌های قوی‌تر، پایدارتر و مشتق شده طبیعی باشند.

اکنون، یک تیم MIT کامپوزیتی را مهندسی کرده‌اند که عمدتاً از نانوبلورهای سلولز مخلوط شده با مقداری پلیمر مصنوعی ساخته شده است. کریستال های آلی حدود 60 تا 90 درصد از مواد را اشغال می کنند که بالاترین کسری از CNC است که تا به امروز در یک کامپوزیت به دست آمده است.

محققان دریافتند کامپوزیت مبتنی بر سلولز از برخی انواع استخوان قوی تر و سخت تر و از آلیاژهای آلومینیوم معمولی سخت تر است. این ماده دارای ریزساختار آجر و ملات است که شبیه به خرچنگ، پوشش داخلی پوسته سخت برخی از نرم تنان است.

این تیم دستوری را برای کامپوزیت مبتنی بر CNC ارائه کردند که می‌توانستند با استفاده از پرینت سه بعدی و ریخته‌گری معمولی بسازند. آنها کامپوزیت را چاپ کردند و به قطعات فیلمی به اندازه پنی ریختند که از آن برای آزمایش استحکام و سختی مواد استفاده کردند. آنها همچنین کامپوزیت را به شکل دندان درآوردند تا نشان دهند که این ماده ممکن است روزی برای ساخت ایمپلنت‌های دندانی مبتنی بر سلولز – و در این مورد، هر محصول پلاستیکی – که قوی‌تر، سخت‌تر و پایدارتر باشد، استفاده شود.

A. John Hart، پروفسور مهندسی مکانیک می‌گوید: «با ایجاد کامپوزیت‌ها با CNC در بارگذاری بالا، می‌توانیم خواص مکانیکی مواد مبتنی بر پلیمر را که قبلاً هرگز نداشته‌اند، بسازیم. اگر بتوانیم مقداری پلاستیک مبتنی بر نفت را با سلولز طبیعی جایگزین کنیم، مسلماً برای سیاره زمین نیز بهتر است.

هارت و تیمش، از جمله Abhinav Rao PhD ’18، Thibaut Divoux، و Crystal Owens SM ’17، نتایج خود را امروز در مجله Cellulose منتشر کردند.

پیوندهای ژل

هر سال بیش از 10 میلیارد تن سلولز از پوست، چوب یا برگ گیاهان سنتز می شود. بیشتر این سلولز برای تولید کاغذ و منسوجات استفاده می شود، در حالی که بخشی از آن به پودر برای استفاده در غلیظ کننده های مواد غذایی و لوازم آرایشی تبدیل می شود.

در سال‌های اخیر، دانشمندان کاربردهای نانوبلورهای سلولز را بررسی کرده‌اند که می‌توان آن‌ها را از الیاف سلولز از طریق هیدرولیز اسیدی استخراج کرد. کریستال های فوق العاده قوی می توانند به عنوان تقویت کننده های طبیعی در مواد مبتنی بر پلیمر استفاده شوند. اما محققان تنها توانسته‌اند بخش‌های پایینی از CNC‌ها را ترکیب کنند، زیرا کریستال‌ها تمایل به جمع شدن دارند و پیوند ضعیفی با مولکول‌های پلیمری دارند.

هارت و همکارانش به دنبال توسعه یک کامپوزیت با کسر بالایی از CNC بودند که بتوانند به اشکال قوی و بادوام تبدیل شوند. آنها با مخلوط کردن محلولی از پلیمر مصنوعی با پودر CNC تجاری موجود شروع کردند. این تیم نسبت CNC و پلیمری را تعیین کردند که محلول را به یک ژل تبدیل می‌کند، با قوامی که می‌تواند از طریق نازل یک چاپگر سه بعدی تغذیه شود یا در قالب ریخته‌گری شود. آنها از یک کاوشگر اولتراسونیک برای شکستن توده‌های سلولز در ژل استفاده کردند و احتمال ایجاد پیوندهای قوی با مولکول‌های پلیمری را برای سلولز پراکنده افزایش داد.

آنها مقداری از ژل را از طریق یک چاپگر سه بعدی تغذیه کردند و بقیه را در قالب ریخته شدند. سپس اجازه می دهند نمونه های چاپ شده خشک شوند. در این فرآیند، ماده منقبض شد و یک کامپوزیت جامد که عمدتاً از نانوبلورهای سلولز تشکیل شده بود، باقی ماند.

رائو می گوید: «ما اساساً چوب را تخریب کردیم و آن را بازسازی کردیم. ما بهترین اجزای چوب را که نانوکریستال‌های سلولز است، برداشتیم و آن‌ها را بازسازی کردیم تا به یک ماده کامپوزیت جدید دست پیدا کنیم.»

ترک های سخت

جالب اینجاست که وقتی این تیم ساختار کامپوزیت را زیر میکروسکوپ بررسی کردند، مشاهده کردند که دانه‌های سلولز در یک الگوی آجر و ملات، شبیه به معماری ناکره، نشست می‌کنند. در خرچنگ، این ریزساختار زیگ زاگ مانع از عبور یک ترک مستقیم در مواد می شود. محققان دریافتند که این موضوع در مورد کامپوزیت سلولزی جدیدشان نیز صادق است.

آنها مقاومت مواد را در برابر ترک‌ها آزمایش کردند و از ابزارهایی برای شروع ترک‌های در مقیاس نانو و سپس در مقیاس میکرو استفاده کردند. آن‌ها دریافتند که در مقیاس‌های چندگانه، آرایش دانه‌های سلولز کامپوزیت مانع از شکافتن ترک‌ها می‌شود. این مقاومت در برابر تغییر شکل پلاستیک به کامپوزیت سختی و سفتی در مرز بین پلاستیک های معمولی و فلزات می دهد.

در ادامه، تیم به دنبال راه هایی برای به حداقل رساندن انقباض ژل ها در هنگام خشک شدن است. در حالی که انقباض هنگام چاپ اجسام کوچک مشکل چندانی ایجاد نمی کند، هر چیزی بزرگتر ممکن است با خشک شدن کامپوزیت، کمانش یا ترک بخورد.

رائو می‌گوید: «اگر می‌توانستید از انقباض جلوگیری کنید، می‌توانید به افزایش مقیاس، شاید تا مقیاس متر ادامه دهید. سپس، اگر بخواهیم رویای بزرگ داشته باشیم، می‌توانیم بخش قابل توجهی از پلاستیک‌ها را با کامپوزیت‌های سلولزی جایگزین کنیم.

این تحقیق تا حدی توسط شرکت Proctor and Gamble و توسط کمک هزینه تحصیلات تکمیلی علوم و مهندسی دفاع ملی پشتیبانی شد.

– این بیانیه مطبوعاتی در ابتدا در وب سایت موسسه فناوری ماساچوست منتشر شد