Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), em colaboração com o U.S. Government Publishing Office (GPO), desenvolveram um romance, método não destrutivo para medir rapidamente os componentes de fibra de madeira e não-madeira no papel.

Identificar e medir a proporção de fibras vegetais usadas para fabricar papel tem ampla aplicação na perícia criminal, conservando a arte, autenticar documentos históricos, avaliar o conteúdo de papel reciclado e garantir que passaportes e outros documentos do governo dos EUA sejam impressos no papel de segurança necessário.

Por exemplo, documentos governamentais de alta qualidade geralmente são criados com fibras que não são de madeira, como o algodão. As fibras derivadas da madeira tornam o papel mais quebradiço com o tempo e podem ajudar a revelar sua idade. Os investigadores forenses na cena do crime frequentemente procuram a transferência de materiais entre indivíduos; esses materiais incluem os tipos de fibras do papel.

Apesar de sua importância, o método atual de análise de papel mudou pouco desde que a tecnóloga de fibras Mary Rollins do NIST (então conhecida como National Bureau of Standards) ajudou a criar o método nas décadas de 1920 e 1930. Pelos padrões modernos, Contudo, a técnica é trabalhosa, demorado e altamente subjetivo. O processo também requer o sacrifício de uma parte da amostra de papel, que pode ser limitado e necessário para a evidência.

Para liberar fibras individuais na amostra, o papel deve ser fervido em água, macerado (amolecido) com uma vareta de agitação de vidro e tratado com vários produtos químicos. Em seguida, um conta-gotas cheio da solução de fibra é colocado em uma lâmina de microscópio para secar. Próximo, o iodo mancha a fibra para torná-la visível. Então, o analista deve confiar em sua memória e acuidade visual para combinar o formato das fibras manchadas com as imagens de livros de cerca de 100 fibras vegetais.

Cientistas do NIST Yaw Obeng, Pôster de Jan Obrzut e Dianne, junto com o pesquisador convidado do NIST Michael Postek e sua colega Mary Kombolias do GPO, agora trouxeram a análise de fibras de papel para o século 21, usando um método recentemente usado para examinar o envelhecimento do material em dispositivos microeletrônicos em chips semicondutores. Suas medições podem ser realizadas em minutos e deixam toda a folha de papel intacta.

A tecnica, conhecido como espectroscopia dielétrica, identifica a composição de materiais examinando como moléculas específicas respondem a um campo elétrico que muda rapidamente. Ao adaptar a técnica ao papel, os pesquisadores se concentraram no comportamento das moléculas de água, que são adicionados durante o processo de fabricação e também são um componente-chave das fibras vegetais usadas para fazer papel. (As moléculas de água são um componente pequeno, mas importante, do papel seco.)

As microondas brilhando em uma folha de papel induzem as moléculas a girar. A velocidade com que as moléculas de água giram no papel difere da velocidade com que girariam no espaço livre. Isso ocorre porque as moléculas de água nas fibras são ligadas a polímeros de ocorrência natural e outros materiais no papel, que afetam a taxa de rotação. A frequência específica em que as moléculas de água giram fornece uma pista sobre o ambiente químico das moléculas de água e, portanto, o conteúdo do papel.

As moléculas de água fornecem excelentes sondas da composição do papel em que residem. A água é uma molécula polar, o que significa que suas cargas positivas e negativas estão ligeiramente separadas uma da outra. Como resultado dessa separação, uma das pontas de uma molécula de água tem carga positiva, enquanto a outra ponta tem carga negativa. Quando um campo elétrico alternado é aplicado ao papel, a polaridade das moléculas de água se alinha com a direção do campo elétrico. Quando o campo inverte a direção, que acontece muitos bilhões de vezes por segundo, as moléculas de água tentam seguir o exemplo, invertendo sua polaridade em sincronia com o campo. Mas a combinação não é perfeita.

Isso ocorre em grande parte porque a resposta das moléculas de água depende da composição do papel - especificamente da natureza dos polímeros aos quais as moléculas de água estão ligadas. Por exemplo, lignina, um polímero nas paredes das células vegetais que torna as plantas rígidas e lenhosas, diminuirá significativamente a taxa na qual as moléculas de água podem mudar sua orientação quando um campo elétrico alternado é aplicado. O registro da taxa de resposta das moléculas de água, portanto, fornece uma medida altamente sensível do tipo de fibras vegetais e sua concentração em uma amostra de papel.

"A rapidez com que as moléculas de água se ajustam ao campo elétrico alternado nos diz muito sobre a composição do papel, "Obeng disse.

Os pesquisadores relataram suas descobertas em uma edição recente da Jornal Tappi , que inclui pesquisa sobre produtos florestais e indústrias relacionadas.

O time, junto com outros cientistas, agora está explorando como o mesmo método pode ser usado para detectar bactérias nocivas em superfícies de quartos de hospital, e em peixes recém-pescados e outros alimentos perecíveis. A técnica pode funcionar porque, assim como as moléculas de água, algumas bactérias têm uma maneira distinta de se reorientar na presença de uma corrente elétrica alternada e relaxar quando a corrente é desligada.