Nanofibre di cellulosa per il materiale del futuro

La ricerca di tecnologie più ecocompatibili ed efficienti dal punto di vista energetico accentua la necessità di sviluppare materiali leggeri con prestazioni meccaniche eccezionali, ottenibili da risorse rinnovabili. I ricercatori del KTH hanno prodotto un materiale a base biologica che è stato descritto per superare la forza di tutti i materiali a base biologica noti, sia fabbricati che naturali, tra cui legno e seta di ragno.

La ricerca

Pubblicato sulla rivista American Chemical Society (ACS Nano) , lo studio descrive un nuovo metodo che imita la capacità della natura di disporre le nanofibre di cellulosa (CNF) in arrangiamenti macroscurali quasi perfetti. I progressi riportati derivano dallo sviluppo di approfondimenti sul modo in cui la fisica controlla la strutturazione di componenti, come il CNF, su scala nanometrica durante la fabbricazione.

Il nuovo processo prevede il controllo del flusso di nanofibre sospese in acqua in un canale largo 1 mm fresato in acciaio inossidabile. Il collegamento di flussi di acqua deionizzata e acqua a basso pH aiuta ad allineare le nanofibre nella giusta direzione e consente alle interazioni supramolecolari tra i CNF di auto-organizzarsi in uno stato ben congegnato in cui sono uniti.

Il processo di allineamento

Nella figura è mostrato il processo di allineamento di fibre CNF nanostrutturate.

(a) Schema del doppio canale di focalizzazione del flusso utilizzato per l’assemblaggio del CNF. La sospensione CNF viene iniettata nel flusso centrale (colore marrone chiaro), acqua DI (colore blu) nella prima guaina e acido a pH basso (colore verde chiaro) nella seconda guaina scorre. Le frecce mostrano la direzione del flusso. Le interazioni idrodinamiche ed elettrostatiche in diverse posizioni lungo il canale sono illustrate schematicamente a destra.
Posizione 1: scarso allineamento fibrillare dovuto alla diffusione Browniana e alla repulsione elettrostatica (illustrata con le frecce tratteggiate) causata da gruppi carbossilici dissociati (-COOH) sulla superficie delle fibrille.
Posizione 2: l’allineamento idrodinamicamente indotto (illustrato da una freccia verde solida) si verifica durante l’accelerazione / estensione.
Posizione 3: ulteriore aumento dell’allineamento durante l’accelerazione / estensione. Questa completa rimozione della repulsione elettrostatica non è possibile con semplici elettroliti.
(b) Immagine SEM della superficie della fibra, in cui è visibile la rete fibrillare densa con una disposizione anisotropica ben conservata. (c) Immagine SEM della sezione trasversale della fibra, che mostra le nanofibre allineate. Le barre della scala in (b) e (c) sono 3 μm e le entrate sono di 400 nm.

“Le fibre di nanocellulosa a base biologica fabbricate qui sono 8 volte più rigide e hanno punti di forza più alti rispetto alle fibre naturali di seta di ragno, considerato il più forte materiale a base biologica.[…] La forza specifica è superiore a quella di metalli, leghe, ceramiche e fibre di vetro E”

Daniel Söderberg, ricercatore presso il KTH Royal Institute of Technology

Applicazioni future

Söderberg afferma che lo studio apre la strada allo sviluppo di materiale in nanofibre che può essere utilizzato per strutture più grandi, pur mantenendo la resistenza alla trazione delle nanofibre e la capacità di resistere al carico meccanico. Il processo può anche essere usato per controllare l’assemblaggio su nanoscala di tubi di carbonio e altre fibre di dimensioni nanometriche.
Le misurazioni del materiale sono state riportate per rigidità a trazione, 86 gigapascal (GPa) e per resistenza a trazione, 1,57 GPa.

Il finanziamento per la ricerca è stato fornito da Knut e dalla Fondazione Alice Wallenberg attraverso il Wallenberg Wood Science Center.