El material podría allanar el camino para los plásticos sostenibles.

La parte más fuerte de un árbol no se encuentra en su tronco o en sus raíces en expansión, sino en las paredes de sus células microscópicas.

Una sola pared celular de madera está construida con fibras de celulosa — el polímero más abundante de la naturaleza, y el principal componente estructural de todas las plantas y algas. Dentro de cada fibra están reforzando nanocristales de celulosa, o CNCs, que son cadenas de polímeros orgánicos dispuestas en patrones cristalinos casi perfectos. En la nanoescala, las CNCs son más fuertes y rígidas que el Kevlar. Si los cristales se pudieran trabajar en materiales en fracciones significativas, las ECC podrían ser una vía hacia plásticos más fuertes, más sostenibles y de origen natural.

Ahora, un equipo del MIT ha diseñado un compuesto hecho principalmente de nanocristales de celulosa mezclados con un poco de polímero sintético. Los cristales orgánicos ocupan alrededor del 60 al 90 por ciento del material – la fracción más alta de CNCs logrado en un compuesto hasta la fecha.

Los investigadores encontraron que el compuesto a base de celulosa es más fuerte y más resistente que algunos tipos de hueso, y más duro que las aleaciones de aluminio típicas. El material tiene una microestructura de ladrillo y mortero que se asemeja al nácar, el revestimiento interior duro de algunos moluscos.

El equipo encontró una receta para el compuesto basado en CNC que podrían fabricar utilizando tanto la impresión 3D como la fundición convencional. Imprimieron y fundieron el compuesto en trozos de película de un centavo que utilizaron para probar la resistencia y la dureza del material. También mecanizaron el compuesto en la forma de un diente para demostrar que el material podría ser utilizado un día para hacer implantes dentales a base de celulosa – y para el caso, cualquier producto plástico – que son más fuertes, más resistentes y más sostenibles.

“Mediante la creación de compuestos con CNCs a alta carga, podemos dar a los materiales a base de polímeros propiedades mecánicas que nunca antes habían tenido”, dice A. John Hart, profesor de ingeniería mecánica. “Si podemos reemplazar algún plástico a base de petróleo con celulosa de origen natural, eso es posiblemente mejor para el planeta también.”

Hart y su equipo, incluyendo Abhinav Rao PhD ’18, Thibaut Divoux, y Crystal Owens SM ’17, han publicado sus resultados hoy en la revista Cellulose.

Bonos de gel

Cada año, más de 10 mil millones de toneladas de celulosa se sintetizan a partir de la corteza, la madera o las hojas de las plantas. La mayor parte de esta celulosa se utiliza para la fabricación de papel y textiles, mientras que una parte de ella se procesa en polvo para su uso en espesantes de alimentos y cosméticos.

En los últimos años, los científicos han explorado los usos de los nanocristales de celulosa, que se pueden extraer de las fibras de celulosa a través de la hidrólisis ácida. Los cristales excepcionalmente fuertes podrían utilizarse como refuerzos naturales en materiales basados en polímeros. Pero los investigadores solo han sido capaces de incorporar fracciones bajas de CNCs, ya que los cristales han tendido a agruparse y solo se unen débilmente con moléculas de polímero.

Hart y sus colegas buscaron desarrollar un compuesto con una alta fracción de CNCs, que pudieran dar forma a estructuras fuertes y duraderas. Comenzaron mezclando una solución de polímero sintético con polvo CNC disponible en el mercado. El equipo determinó la proporción de CNC y polímero que convertiría la solución en un gel, con una consistencia que podría ser alimentada a través de la boquilla de una impresora 3D o vertida en un molde para ser fundido. Utilizaron una sonda ultrasónica para romper cualquier grupo de celulosa en el gel, por lo que es más probable que la celulosa dispersa forme fuertes enlaces con moléculas de polímero.

Alimentaron parte del gel a través de una impresora 3D y vertieron el resto en un molde para ser fundido. Luego dejaron secar las muestras impresas. En el proceso, el material se contrajo, dejando atrás un compuesto sólido compuesto principalmente de nanocristales de celulosa.

“Básicamente deconstruimos madera y la reconstruimos”, dice Rao. “Tomamos los mejores componentes de madera, que son nanocristales de celulosa, y los reconstruimos para lograr un nuevo material compuesto.”

Grietas duras

Curiosamente, cuando el equipo examinó la estructura del compuesto bajo un microscopio, observaron que los granos de celulosa se asentaron en un patrón de ladrillo y mortero, similar a la arquitectura de nácar. En nácar, esta microestructura zigzagueante impide que una grieta atraviese directamente el material. Los investigadores encontraron que este también es el caso con su nuevo compuesto de celulosa.

Probaron la resistencia del material a las grietas, utilizando herramientas para iniciar primero las grietas a nano y luego a microescala. Encontraron que, a través de múltiples escalas, la disposición del compuesto de granos de celulosa impidió que las grietas dividieran el material. Esta resistencia a la deformación plástica da al compuesto una dureza y rigidez en el límite entre los plásticos convencionales y los metales.

En el futuro, el equipo está buscando maneras de minimizar la contracción de los geles a medida que se secan. Si bien la contracción no es un gran problema al imprimir objetos pequeños, cualquier cosa más grande podría doblarse o agrietarse a medida que el compuesto se seca.

“Si pudieras evitar la contracción, podrías seguir escalando, tal vez hasta la escala del medidor”, dice Rao. “Entonces, si tuviéramos que soñar en grande, podríamos reemplazar una fracción significativa de plásticos, con compuestos de celulosa.”

Esta investigación fue apoyada, en parte, por Procter and Gamble Corporation, y por la National Defense Science and Engineering Graduate Fellowship.

Imagen e información traducida, tomada de la sección de noticias del MIT.