Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) combinaram derivados de dois materiais excedentes - polpa de madeira e pedaços secos de uma praga exótica invasora - para formar um novo material composto que é flexível, sustentável, não tóxico e reflexivo da luz ultravioleta. O material, descrito em um novo artigo publicado em Materiais Funcionais Avançados , em breve poderá ser usado em uma ampla variedade de aplicações, incluindo embalagens de alimentos, dispositivos biomédicos, construção de edifícios e design de carros, caminhões e barcos.

A chave para este casamento improvável de madeira e pragas é um motivo chamado de "estrutura Bouligand, "em que as moléculas se empilham em uma forma torcida, semelhantes a pequenas escadas em espiral. Os cientistas aprenderam que a estrutura de Bouligand fornece um certo tipo de resiliência ao cracking; a força de um impacto é guiada por aqueles minúsculos, nanodimensionado, curvas como escadas e voltas em uma série de desvios. Em vez de quebrar direto, a energia de um solavanco ou colisão é, portanto, desviada por uma espécie de caminho tortuoso, deixando todo o material intacto e funcional.

Embora a madeira não tenha uma estrutura Bouligand natural, atrai cientistas há décadas, em parte porque há um amplo suprimento de material que sobra após o processamento do papel e da madeira serrada comercial.

"A ideia de fazer produtos úteis com polpa de madeira há muito intrigava muitas pessoas em muitos setores diferentes, "diz Jeff Gilman, que lidera a equipe de projeto de compósitos no NIST.

Ao lavar essa polpa com ácido para remover sua lignina e celulose amorfa, os cientistas descobriram há vários anos que podiam criar uma solução leitosa que finalmente secou para formar um novo material com uma estrutura Bouligand. O principal componente desta solução eram minúsculos bastonetes cristalinos de celulose, conhecido como nanocristais de celulose ou nanocelulose. Contudo, por conta deles, os filmes Bouligand derivados da polpa são quebradiços e não suportam muito peso.

A equipe do NIST levantou a hipótese de que combinar as hastes curtas de nanocelulose derivadas de madeira com outro material natural com hastes cristalinas mais longas resultaria em algo novo que seria incrivelmente forte e flexível. Com aditivos apropriados, esse novo material poderia ser usado para criar filmes que retardariam a difusão de água e oxigênio.

"O produto certo, se desenvolvido, pode ser usado em tudo, desde compósitos aeroespaciais a embalagens que mantenham os alimentos frescos, "Gilman disse.

Uma opção para o novo material compósito:as carcaças de uma criatura aquática ressecada chamada tunicado, considerada uma praga em alguns países e uma guloseima deliciosa em outros.

Em muitas partes da Ásia, as criaturas aquáticas marrons ( Styela clava ) são frequentemente cozinhados e servidos em molhos picantes. Mas sem predadores naturais presentes para comê-los em novos ambientes, suas populações começam a crescer em números superabundantes que eventualmente obstruem os motores dos barcos e equipamentos de pesca, competir com peixes nativos, reduzir as populações saudáveis ​​de plâncton e contaminar e arruinar os leitos de moluscos produtivos. Alguns gerentes ambientais pensam que encontrar uma maneira de removê-los e usá-los como recurso pode servir a um propósito benéfico. Colhê-los é uma opção. Como uma ostra, o interior de um tunicado é considerado a parte saborosa. O lado de fora geralmente é jogado fora, o que significa que pode haver uma fonte pronta para este material em áreas onde são frequentemente cozinhados.

O que intrigou especificamente os pesquisadores do NIST, Contudo, era a estrutura interna do tunicado, que era feito de muito longo, nanocelulose altamente cristalina. Eles eram diferentes dos cristais mais curtos encontrados na madeira.

"Os tunicados se destacaram como o padrão-ouro por suas propriedades físicas, "disse Johan Foster, da Virginia Tech University, que é uma das poucas equipes que trabalham na colheita e pesquisa de tunicados em todo o mundo. Foster reuniu e forneceu os tunicados para o projeto NIST de uma doca no oeste da França, onde os animais são considerados uma espécie incômoda.

Alguns cientistas presumiram que um composto feito inteiramente de nanocelulose de tunicado cristalino longo seria incrivelmente forte e resistente. Contudo, testando materiais compostos de tunicato / madeira mistos secos, o autor principal Bharath Natarajan foi capaz de identificar o ponto exato de maior resistência.

"Se você colocar um pouco de tunicado no composto de polpa de madeira, torna um pouco mais rígido, e não quebra tão rapidamente e se torna mais flexível, "Natarajan disse." Coloque 10 por cento e é duas vezes mais forte. Se sua mistura for 30 por cento de tunicado e 70 por cento de polpa de madeira, o composto resultante é 15-20 vezes mais resistente. Mas depois disso, você realmente não vê uma melhora na força, e há uma redução na tenacidade. "

Tunicados são abundantes, mas permanecem caros para processar, portanto, saber exatamente quanto adicionar é a chave para expandir seu uso no futuro, e para manter todos os produtos resultantes acessíveis.

Adicionar os tunicados também fez com que os nanocristais se torcessem de uma maneira diferente e acelerou a formação da estrutura na polpa de madeira. Também formou um padrão mais estreito e denso, tornando o novo material composto com reflexo ultravioleta.

“Muitos materiais começam a se degradar se forem expostos ao sol por muito tempo, "disse Gilman." Este material pode ser potencialmente usado como um revestimento em outras superfícies, a fim de refletir a luz e estender a durabilidade. "

Nos próximos anos, Natarajan e sua equipe continuarão testando maneiras de usar sua nova mistura de polpa de madeira com tunicado para fabricar resilientes, compostos flexíveis e reflexivos de UV para uso na fabricação de materiais sustentáveis, automóveis leves e veículos aeroespaciais, entre outros produtos.

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.