Notícia

Novo material compósito derivado de plantas é resistente como osso e duro como alumínio

Divulgação, MIT

Fonte

MIT | Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Data

quinta-feira, 10 fevereiro 2022 15:15

Áreas

Ciência dos Materiais. Impressão 3D. Inovação.

A parte mais forte de uma árvore não está em seu tronco ou em suas raízes, mas nas paredes de suas células microscópicas.

Uma única parede celular de madeira é construída a partir de fibras de celulose – o polímero mais abundante da natureza e o principal componente estrutural de todas as plantas e algas. Dentro de cada fibra estão nanocristais de celulose de reforço (CNCs), que são cadeias de polímeros orgânicos dispostos em padrões de cristal quase perfeitos. Em nanoescala, os CNCs são mais fortes e rígidos que o Kevlar. Se os cristais pudessem ser transformados em materiais em frações significativas, os CNCs poderiam ser um caminho para plásticos mais resistentes, mais sustentáveis ​​e de origem natural.

Recentemente, uma equipe do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT), nos Estados Unidos, projetou um composto feito principalmente de nanocristais de celulose misturados com um polímero sintético. Os cristais orgânicos ocupam cerca de 60% a 90% do material – a maior fração de CNCs alcançada em um compósito até hoje.

Os pesquisadores descobriram que o compósito à base de celulose é mais resistente do que alguns tipos de osso e mais duro do que as ligas de alumínio típicas. O material tem uma microestrutura que lembra o nácar, revestimento interno da casca dura de alguns moluscos.

A equipe encontrou uma receita para o composto baseado em CNC que eles poderiam fabricar usando impressão 3D e fundição convencional. Eles imprimiram e moldaram o composto em pedaços de filme que usaram para testar a resistência e a dureza do material. Eles também usinaram o compósito na forma de um dente para mostrar que o material pode um dia ser usado para fazer implantes dentários à base de celulose – e, nesse caso, qualquer produto plástico – que são mais resistentes e mais sustentáveis.

“Ao criar compósitos com CNCs com alta carga, podemos dar aos materiais à base de polímeros propriedades mecânicas que nunca tiveram antes. Se pudermos substituir algum plástico à base de petróleo por celulose derivada naturalmente, isso também é melhor para o planeta”, disse o Dr. John Hart, professor de Engenharia Mecânica do MIT.

Os pesquisadores publicaram os resultados da pesquisa na revista científica Cellulose.

Durante o processo, um gel

A cada ano, mais de 10 bilhões de toneladas de celulose são sintetizadas a partir da casca, madeira ou folhas de plantas. A maior parte dessa celulose é usada na fabricação de papel e têxteis, enquanto uma parte dela é transformada em pó para uso em espessantes de alimentos e cosméticos.

Nos últimos anos, os cientistas exploraram os usos dos nanocristais de celulose, que podem ser extraídos das fibras de celulose por meio de hidrólise ácida. Os cristais excepcionalmente fortes podem ser usados ​​como reforços naturais em materiais à base de polímeros. Mas os pesquisadores só conseguiram incorporar frações baixas de CNCs, já que os cristais tendem a se aglomerar e se ligar apenas fracamente às moléculas do polímero.

O professor John Hart e seus colegas procuraram desenvolver um composto com uma alta fração de CNCs, que pudessem moldar em formas resistentes e duráveis. Eles começaram misturando uma solução de polímero sintético com pó CNC comercialmente disponível. A equipe determinou a proporção de CNC e polímero que transformaria a solução em um gel, com uma consistência que poderia alimentar uma impressora 3D ou despejado em um molde para ser moldado. O

Os pesquisadores usaram uma sonda ultrassônica para quebrar quaisquer aglomerados de celulose no gel, tornando mais provável que a celulose dispersa formasse fortes ligações com moléculas de polímero. Então, disponibilizaram um pouco do gel para uma impressora 3-D e liberaram o resto em um molde. Eles então deixaram as amostras impressas secarem; no processo, o material encolheu, deixando para trás um compósito sólido composto principalmente de nanocristais de celulose.

“Basicamente desconstruímos a madeira e a reconstruímos. Pegamos os melhores componentes da madeira, que são os nanocristais de celulose, e os reconstruímos para obter um novo material compósito”, disse Abhinav Rao, pesquisador no laboratório do Dr. John Hart.

Curiosamente, quando a equipe examinou a estrutura do compósito ao microscópio, foi observado que os grãos de celulose se estabeleceram em um padrão semelhante à arquitetura do nácar. No nácar, essa microestrutura em ziguezague impede que uma rachadura percorra diretamente o material. Os pesquisadores descobriram que isso também acontece com seu novo composto de celulose.

Eles testaram a resistência do material a rachaduras, usando ferramentas para iniciar primeiro rachaduras em nanoescala e depois em microescala. Os pesquisadores descobriram que, em várias escalas, o arranjo de grãos de celulose do compósito impedia que as rachaduras fraturassem o material. Esta resistência à deformação plástica confere ao compósito uma dureza e rigidez na fronteira entre os plásticos convencionais e os metais.

Acesse o resumo do artigo científico (em inglês).

Acesse a notícia completa na página do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (em inglês).

Fonte: Jennifer Chu, MIT News Office. Imagem: dente impresso pela equipe, sobre fundo de células de madeira, Fonte: Divulgação, MIT.

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