Per dare forma al futuro, i materiali di prossima generazione non devono necessariamente essere esotici come isolanti e metamateriali topologici. I ricercatori stanno studiando il potenziale della nanocellulosa, una forma nanostrutturata di cellulosa che può essere ottenuta dall’umile truciolo di legno, per applicazioni che vanno dai dispositivi microfluidici alle batterie ricaricabili.
Un team guidato da Liangbing Hu all’Università del Maryland a College Park ha riferito all’incontro autunnale del 2019 della Material Research Society di Boston che un materiale che combina la nanocellulosa con la grafite ha proprietà meccaniche che superano quelle degli acciai e di altri materiali strutturali consolidati. Il composito riciclabile potrebbe offrire un’alternativa ecologica per la costruzione di veicoli leggeri, aerei e armature.
Hu ha presentato una panoramica della sua ricerca di sostituzione di materiali tradizionali con materiali sostenibili a base di nanocellulosa di legno. Le fibre di cellulosa che compongono la nanocellulosa hanno diametri compresi tra 5 e 20 nm e lunghezze di diversi micrometri. Sono tipicamente preparati dalla polpa di legno usando metodi meccanici che strappano le fibre di legno della polpa in baffi su scala nanometrica.
“Il legno e i suoi materiali derivati hanno molto da offrire“, afferma Hu, osservando che i materiali a base di legno sono riciclabili, biocompatibili e biodegradabili. “Queste sono proprietà fantastiche, ma per avere successo con questi materiali, dobbiamo dimostrare che le loro prestazioni sono superiori a quelle dei materiali tradizionali”, aggiunge.
Usando la nanocellulosa, il team di Hu ha recentemente dimostrato che è possibile produrre un legno trasparente che potrebbe sostituire il vetro e una nanocarta ad alta resistenza che potrebbe sostituire la plastica. Nel nuovo lavoro, dimostrano di aver imitato le proprietà strutturali dell’acciaio.
I materiali strutturali devono la loro forza alla presenza di forti legami chimici primari tra i loro atomi: legami metallici in metalli e leghe metalliche, legami covalenti carbonio-carbonio nelle fibre di carbonio e legami ionici in ceramica. La forza di questi legami, tuttavia, è sia una benedizione che una maledizione. Per manipolare, fabbricare e riciclare questi materiali, questi legami devono essere spezzati e riformati, il che richiede alte temperature consumando grandi quantità di energia, portando a un costo sostanziale e un forte impatto ambientale.
La strategia di progettazione dei materiali di Hu e dei suoi colleghi sfrutta legami chimici secondari, come i legami idrogeno che sono abbondanti in materiali organici come la nanocellulosa.
Mentre l’energia necessaria per creare o spezzare un singolo legame di idrogeno è molto più piccola di quella di un legame chimico primario, le reti di questi legami possono rendere un materiale estremamente forte, qualcosa che il team sapeva dal loro precedente lavoro sulla nanocarta di cellulosa.
La loro nanocarta è più forte e più resistente della carta normale di vari ordini di grandezza, grazie all’abbondante numero di legami secondari di idrogeno che si formano tra le nanofibre di cellulosa della carta e grazie alla facilità e alla velocità con cui questi legami si riformano quando vengono rotti.
Per il materiale simile all’acciaio, il team ha sfruttato questi legami per “attaccare” la cellulosa alla grafite, che è dura ma troppo fragile per essere utilizzata nelle strutture portanti. Per fabbricare un composito di grafite-nanocellulosa, hanno preparato una sospensione altamente concentrata di acqua, scaglie di grafite e nanocellulosa a temperatura ambiente. Hanno poi stampato questa miscela in un metro grande, 2 0 – μ m strati sottili. Gli strati erano flessibili – potevano essere piegati in un raggio di 2 mm senza rompersi – e più strati potevano essere stampati a caldo in fogli più spessi.
Le misurazioni meccaniche mostrano che il materiale è eccezionalmente resistente. I fogli stampati sono più resistenti dell’acciaio inossidabile e 6 volte più leggeri. La resistenza specifica del materiale (definita come la resistenza divisa per la densità del materiale) è superiore a quella dei materiali utilizzati nelle applicazioni strutturali, come acciai, leghe di alluminio e leghe di titanio.
I ricercatori hanno caratterizzato il composito per rivelare la struttura microscopica dietro le sue proprietà meccaniche, usando una combinazione di microscopia a forza atomica, microscopia elettronica a trasmissione e simulazioni di dinamica molecolare. La loro analisi suggerisce che migliaia di nanofibre di cellulosa si attaccano a ciascuno dei fiocchi di grafite, le cui dimensioni sono comprese in centinaia di micrometri, attraverso il legame idrogeno. Le fibre collegano anche diversi fiocchi di grafite. “È come un muro di mattoni, in cui i fiocchi di grafite sono i mattoni e le nanofibre di cellulosa sono il mortaio che incolla i mattoni insieme”, afferma Yubing Zhou, postdottorato del gruppo Hu che ha guidato lo studio.
Hu cita i numerosi vantaggi ambientali del composito. Il suo processo di fabbricazione non comporta l’uso di sostanze chimiche aggressive e il composito può essere facilmente riciclato: un semplice processo di taglio e agitazione può ritrasformare il materiale nella sospensione originale. “Le proprietà del materiale sono eccezionali. Ora non ci resta che trovare modi più economici per realizzarlo e ampliare il processo di produzione“, ha concluso Hu.
Fonte: https://physics.aps.org/articles/v12/142
