A parte mais forte de uma árvore não está em seu tronco ou em suas raízes, mas nas paredes de suas células microscópicas.
Por Jennifer Chu, Instituto de Tecnologia de Massachusetts, com informações Phys.
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 há nanocristais de celulose de reforço , ou CNCs, que são cadeias de polímeros orgânicos dispostos em padrões de cristal quase perfeitos. Em nanoescala, os CNC’s (cellulose nanocrystals) 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 fortes, mais sustentáveis e de origem natural.
Agora, uma equipe do MIT projetou um composto feito principalmente de nanocristais de celulose misturados com um pouco de polímero sintético. Os cristais orgânicos ocupam cerca de 60 a 90 por cento 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 forte e mais resistente do que alguns tipos de osso e mais duro do que as ligas de alumínio típicas. O material tem uma microestrutura de tijolo e argamassa que lembra o nácar, o 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 do tamanho de um centavo 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 fortes, mais resistentes e mais sustentáveis.
“Ao criar compósitos com CNCs em alta carga, podemos dar aos materiais à base de polímeros propriedades mecânicas que nunca tiveram antes”, diz A. John Hart, professor de engenharia mecânica. “Se pudermos substituir algum plástico à base de petróleo por celulose derivada naturalmente, isso também é melhor para o planeta”.
Hart e sua equipe, incluindo Abhinav Rao Ph.D. ’18, Thibaut Divoux e Crystal Owens SM ’17, publicaram seus resultados hoje na revista Cellulose .
Ligações de 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.
Hart e seus colegas procuraram desenvolver um composto com uma alta fração de CNCs, que pudessem moldar em formas fortes 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 ser alimentada pelo bico de uma impressora 3D ou despejada em um molde para ser moldado. Eles 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.
Eles alimentaram um pouco do gel através de uma impressora 3D e despejaram o resto em um molde para ser moldado. Eles então deixam as amostras impressas secarem. No processo, o material encolheu, deixando para trás um compósito sólido composto principalmente de nanocristais de celulose.
“Nós basicamente desconstruímos a madeira e a reconstruímos”, diz Rao. “Pegamos os melhores componentes da madeira, que são os nanocristais de celulose, e os reconstruímos para obter um novo material compósito.”
Rachaduras difíceis
Curiosamente, quando a equipe examinou a estrutura do compósito ao microscópio, eles observaram que os grãos de celulose se estabeleceram em um padrão de tijolo e argamassa, 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. Eles descobriram que, em várias escalas, o arranjo de grãos de celulose do compósito impedia que as rachaduras dividissem o material. Esta resistência à deformação plástica confere ao compósito uma dureza e rigidez na fronteira entre os plásticos convencionais e os metais.
No futuro, a equipe está procurando maneiras de minimizar o encolhimento dos géis à medida que secam. Embora o encolhimento não seja um grande problema ao imprimir objetos pequenos, qualquer coisa maior pode empenar ou rachar à medida que o composto seca.
“Se você pudesse evitar o encolhimento, poderia continuar aumentando, talvez até a escala do metro”, diz Rao. “Então, se sonhássemos grande, poderíamos substituir uma fração significativa de plásticos por compósitos de celulose.”
