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Un equipo del MIT ha diseñado un compuesto hecho principalmente de nanocristales de celulosa mezclados con un poco de polímero sintético.

Los investigadores encontraron que el compuesto a base de celulosa es más fuerte y 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 la concha de algunos moluscos. Los científicos lograron mecanizar el compuesto en forma de diente para demostrar que el material algún día podría usarse para fabricar implantes dentales a base de celulosa, y para el caso, cualquier producto de plástico, que sea más fuerte, más resistente y más sostenible. Descubrieron que, a través de múltiples escalas, la disposición de los granos de celulosa del compuesto evitaba que las grietas dividieran el material.

Una sola pared celular de madera se construye a partir de fibras de celulosa, el polímero más abundante en la naturaleza y el principal componente estructural de todas las plantas y algas.

Dentro de cada fibra hay nanocristales de celulosa de refuerzo, o CNC, que son cadenas de polímeros orgánicos dispuestos en patrones de cristal casi perfectos. Si los cristales pudieran trabajarse en materiales en fracciones significativas, los CNC podrían ser una ruta hacia plásticos de origen natural más fuertes y sostenibles.

Cada año, se sintetizan más de 10 mil millones de toneladas de celulosa a partir de la corteza, la madera o las hojas de las plantas. La mayor parte de esta celulosa se usa para fabricar papel y textiles, mientras que una parte se procesa en polvo para usar 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 mediante hidrólisis ácida. Los cristales excepcionalmente fuertes podrían usarse como refuerzos naturales en materiales basados ​​en polímeros. Pero los investigadores solo han podido incorporar fracciones bajas de CNC, ya que los cristales han tendido a agruparse y solo se unen débilmente con las moléculas de polímero.

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 entre el 60 y el 90 por ciento del material, la fracción más alta de CNC lograda en un compuesto hasta la fecha.

Los investigadores encontraron que el compuesto a base de celulosa es más fuerte y 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 la concha de algunos moluscos.

Además lograron mecanizar el compuesto en forma de diente para demostrar que el material algún día podría usarse para fabricar implantes dentales a base de celulosa, y para el caso, cualquier producto de plástico, que sea más fuerte, más resistente y más sostenible.

“Al crear compuestos con CNC a alta carga, podemos dar a los materiales basados ​​en polímeros propiedades mecánicas que nunca antes habían tenido”, dice A. John Hart, profesor de ingeniería mecánica. "Si podemos reemplazar algunos plásticos a base de petróleo con celulosa de origen natural, podría decirse que eso también es mejor para el planeta".

Hart y sus colegas buscaron desarrollar un compuesto con una alta fracción de CNC, que pudieran moldear en formas fuertes y duraderas. Comenzaron mezclando una solución de polímero sintético con polvo CNC disponible comercialmente. El equipo determinó la proporción de CNC y polímero que convertiría la solución en un gel, con una consistencia que podría alimentarse a través de la boquilla de una impresora 3D o verterse en un molde para moldearlo.

Usaron una sonda ultrasónica para romper cualquier grupo de celulosa en el gel, haciendo más probable que la celulosa dispersada forme enlaces fuertes con moléculas de polímero. Alimentaron parte del gel a través de una impresora 3D y vertieron el resto en un molde para moldearlo. Luego dejan 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 la madera, que son nanocristales de celulosa, y los reconstruimos para lograr un nuevo material compuesto”.

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 cemento, similar a la arquitectura del nácar. En el nácar, está microestructura en zigzag evita que una grieta atraviese el material. Los investigadores descubrieron que este también era el caso con su nuevo compuesto de celulosa.

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

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

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

Rao, A. et al. Printable, castable, nanocrystalline cellulose-epoxy composites exhibiting hierarchical nacre-like toughening. Cellulose 2022 https://doi.org/10.1007/s10570-021-04384-7

Divulgador científico especialista en física y astrofísica, y apasionado de la ciencia en general. Autor del bestseller "El Universo Explicado" y de "La Nueva Carrera Espacial". Tiene más de 3 millones de seguidores en redes sociales.

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