Roślinny plastik twardy jak kość. Przyjazne środowisku tworzywo może zrewolucjonizować przemysł

Do tego sprowadza się w pewnym sensie podejście naukowców z MIT, którzy stworzyli właśnie niezwykle wytrzymały kompozyt, posługując się składnikami prosto z przyrody. Kompozyt może zastąpić w wielu zastosowaniach tradycyjne plastiki, a nawet metale. 

"Silny jak dąb"? Sekret wytrzymałości drzew ukrywa się w ich najmniejszych elementach składowych. Nie w pniu czy w rozłożystych korzeniach, ale w ścianach ich komórek. 

Każda komórka roślinna ma ścianki zbudowane z włókien celulozy - najobfitszego polimeru występującego w przyrodzie. To właśnie celuloza stanowi główny składnik strukturalny wszystkich roślin na świecie. 

Każde włókno zawiera wzmacniające je nanokryształy celulozy znane jako CNC. Są one długimi łańcuchami polimerów ułożonymi w niemal idealne krystaliczne matryce. Kryształ CNC jest mocniejszy, niż Kevlar - ale w nanoskali. Gdyby udało się stworzyć materiał zawierający bardzo dużo CNC, powstałyby mocniejsze, przyjaźniejsze środowisku tworzywa sztuczne. 

Papier z recyklingu opon. Polacy odkryli przełomowy sposóbNajnowsze badania zespołu inżynierów z MIT (Massachusetts Institute of Technology), pozwoliły stworzyć kompozyt, który składa się głównie z tych kryształków, powiązanych niewielką ilością syntetycznych polimerów. Organiczne kryształy stanowią około 60-80 proc. materiału - to, jak dotąd, najbogatszy w CNC kompozyt stworzony przez człowieka. 

Naukowcy odkryli, że kompozyt na bazie celulozy jest mocniejszy niż kość i twardszy niż typowe stopy aluminium. Materiał ma mikrostrukturę przypominającą cegły połączone zaprawą i jest bardzo podobny do masy perłowej, czyli twardej wewnętrznej wyściółki muszli niektórych mięczaków.

Materiał nadaje się do druku 3D i konwencjonalnego odlewania. Wykorzystując obie z tych metod, naukowcy stworzyli serię próbek wielkości pięciogroszówki. Wydrukowali też sztuczny ząb - ich zdaniem materiał może wkrótce posłużyć do produkcji implantów dentystycznych na bazie celulozy. Testy wykazały, że produkty z nowego materiału są mocniejsze, twardsze i trwalsze, niż konwencjonalny plastik produkowany na bazie ropy. 

Robot pilotowany przez glony. Nowe urządzenie jest zasilane wyłącznie fotosyntezą"Możemy nadać materiałom polimerowym właściwości mechaniczne, których nigdy wcześniej nie miały" - stwierdził prof. A. John Hart, wykładowca inżynierii mechanicznej na MIT. "Jeśli możemy zastąpić niektóre tworzywa sztuczne na bazie ropy naftowej naturalnie pozyskiwaną celulozą, będzie to z korzyścią dla planety".

Każdego roku z kory, drewna lub liści roślin wytwarza się ponad 10 miliardów ton celulozy, wykorzystywanej głównie do produkcji papieru i tekstyliów. Jest też wykorzystywana w zagęszczaczach spożywczych i kosmetykach.

Żeby opracować kompozyt z dużą zawartością CNC, zespół Harta zaczął od zmieszania roztworu syntetycznego polimeru z dostępnym na rynku proszkiem zawierającym CNC. Zespół określił proporcje CNC i polimeru, które przekształciłyby roztwór w żel o konsystencji, którą można było podać przez dyszę drukarki 3D lub wlać do formy w celu odlania. Wykorzystali sondę ultradźwiękową do rozbicia wszelkich grudek celulozy w żelu, zwiększając prawdopodobieństwo, że rozproszona celuloza utworzy silne wiązania z cząsteczkami polimeru. Po wydrukowaniu i odlaniu próbek, materiał wysechł i skurczył się, pozostawiając solidny kompozyt składający się głównie z nanokryształów celulozy.

"Zasadniczo zdemontowaliśmy drewno i zrekonstruowaliśmy je" - mówi dr Abhinav Rao, który współpracował z Hartem. "Wzięliśmy z drewna jego najważniejsze składniki, czyli nanokryształy celulozy, i zrekonstruowaliśmy je, aby uzyskać nowy materiał kompozytowy".

Co ciekawe, kiedy zespół zbadał strukturę kompozytu pod mikroskopem, zaobserwował, że ziarna celulozy układały się we wzór podobny do architektury masy perłowej. W masie perłowej ta zygzakowata mikrostruktura powstrzymuje rozprzestrzenianie się pęknięć. Naukowcy odkryli, że tak samo jest w przypadku ich nowego kompozytu, co powinno mu dać wyjątkową trwałość, podobną do trwałości metali.