NATURALEZA

Los ingenieros toman prestada la celulosa de los árboles para fortalecer nuevos materiales

¿Qué pasa cuando rompes una botella de plástico? Está aplastado. ¿Qué pasa con las botellas de vidrio? Se rompe. En términos de ingeniería, esto significa que el plástico es resistente y el vidrio es fuerte. Abhinav Rao dice que la mayoría de los materiales fabricados pueden ser duros o fuertes, pero no ambos. Durante su doctorado en el Instituto Tecnológico de Massachusetts en Cambridge, ayudó a crear un nuevo material que es a la vez resistente y resistente.

Él y sus colegas describen cómo lo hicieron en la edición de marzo. celulosa.

Sus ingredientes principales provienen de los árboles. Rao, ahora ingeniero en Lam Research en Eaton, Ohio, se inspiró para crear el material «observando lo que la naturaleza nos enseña».

Todas las plantas contienen diminutos cristales en forma de palillos de dientes en sus paredes celulares. Conocidos como nanocristales de celulosa, dan estructura y fuerza a las plantas. Como su nombre indica, estos cristales son muy pequeños. Necesita apilar 500 para que coincida con el ancho de un cabello humano.

Los ingenieros pueden procesar la madera para eliminar todo menos los nanocristales de celulosa. «Estamos descomponiendo árboles en sus partes más pequeñas», explica Emily Cranston. Como científica de la madera, no participó en el nuevo estudio. Cranston trabaja en la Universidad de Columbia Británica en Vancouver, Canadá.

Como se muestra, los nanocristales de celulosa se asemejan a pequeños palillos de dientes o granos de arroz. En la mayoría de las plantas, proporcionan estructura. Su forma los hace tan útiles, dice Emily Cranston. «Piense en las pastillas. Puede imaginar todas las estructuras que puede obtener en función de la forma en que caen los palos», explicó. Kevin G. Yager y Emily Cranston

Una vez que tenga un montón de estos nano palillos, las posibilidades son casi infinitas. «Podemos convertir árboles en muchas cosas geniales diferentes», dijo Cranston. Señaló que el nuevo trabajo es parte de un vasto campo con cientos de investigadores. Algunos están convirtiendo nanocristales de celulosa en piezas electrónicas. Otros los están utilizando para fabricar dispositivos médicos. Todavía otros los están usando para limpiar el agua. ¡Un equipo en Japón incluso ha construido un automóvil completo con el material que contiene nanocristales de celulosa!

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Sin embargo, antes del equipo de Rao, estos nanocristales constituían una parte muy pequeña de estos nuevos materiales (los plásticos tendían a constituir el resto). La razón por la que no contenían más, explicó Rao, es que los nanocristales tienden a aglomerarse. Y luego desaparece su diminuta forma de palillo de dientes, al igual que su increíble dureza y fuerza.

agita ese gel

Para aumentar la cantidad de palillos de dientes pequeños que se pueden envasar juntos sin aglomerarse, el equipo de Rao creó un nuevo gel. Comienza con un líquido que contiene algunos nanocristales de plástico y celulosa. “En ese momento, la celulosa estaba en el fondo”, explica Rao. Luego, el equipo usó ondas ultrasónicas para hacer vibrar el líquido. Esto agitó los nanocristales. Una vez que todo está completamente mezclado, el líquido «se congela en un gel y deja de moverse», dijo Rao. El proceso es rápido. «Sucederá en segundos».

un material blanco verdoso con forma aproximada de diente
El equipo de Abhinav Rao ha inventado un nuevo material que contiene una gran cantidad de nanocristales de celulosa. El nuevo material es fuerte y resistente, con una estructura similar al esmalte que se encuentra en los dientes humanos. Es por eso que el equipo decidió convertir su material en esta forma de diente. Cortesía de A. John Hart y Abhinav Rao, editores de noticias del MIT

Este gel es mucho más duro que la gelatina. Puedes darle la vuelta a la taza y no se derramará. Pero una impresora 3D o una máquina de moldeo pueden aplicar suficiente presión al gel para permitirle tomar una nueva forma. Como prueba, el equipo de Rao hizo un objeto en forma de diente con el gel. Este diente de gel se expone a altas temperaturas para endurecerlo y convertirlo en un sólido. El material también se encogió mucho, pero terminó siendo tan fuerte y duradero como algunos tipos de huesos.

Estas propiedades provienen de la estructura del nuevo material. Una pequeña cantidad de plástico más blando rodea cada nanocristal de celulosa rígido, o un pequeño grupo de cristales, explicó Rao. Por lo tanto, las grietas no pueden penetrar en todo el material. «Las grietas tienen que serpentear», dijo. Como tiene que seguir un camino tan tortuoso, cualquier fisura no llega muy lejos. Esto mantiene el material fuerte.

En peso, más del 60% del nuevo material son nanocristales de celulosa. El resto es de plástico. «Eso es genial», dijo Cranston. «Hay muchos árboles allí».

un mundo más verde

primer plano de neumático
La mayoría de los neumáticos de los automóviles son negros porque contienen un relleno llamado negro de carbón, que es un producto del procesamiento de combustibles fósiles. La celulosa sería un relleno más ecológico. Puede hacer que las llantas se vuelvan blanquecinas, pero esas llantas también podrían «funcionar mejor y durar más», dijo Emily Cranston. peterscode/iStock/Getty Images Plus

Siempre necesitamos materiales con ciertas propiedades, como resistencia, dureza o durabilidad. Pero hay otro atributo a considerar, dice Rao: amabilidad con el planeta. Debido a que los nanocristales de celulosa provienen de los árboles, son «más verdes» que el plástico o la mayoría de los demás materiales sintéticos.

La gente sabe cómo manejar los bosques para que se planten suficientes árboles nuevos para reemplazar toda la madera que se tala. También es posible obtener palillos de cristal a partir de algas o incluso bacterias. A diferencia de los plásticos derivados de combustibles fósiles, estos fragmentos de celulosa son un recurso renovable casi inagotable.

Cuando el plástico no se biodegrada, también daña el medio ambiente. Los cristales de celulosa se descomponen fácilmente. Sin embargo, es posible que un material que contenga estos cristales mezclados con plástico no se descomponga o recicle fácilmente, especialmente si está diseñado para ser resistente y duradero. Los ingenieros deben encontrar un equilibrio entre todas estas propiedades importantes, dijo Cranston. Con eso en mente, ella preguntó: «¿Qué? usted ¿Hecho con palillos de dientes totalmente naturales a nanoescala? «

Esta es una de una serie que presenta noticias sobre tecnología e innovación con el generoso apoyo de la Fundación Lemelson.

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