Самая сильная часть дерева заключена не в его стволе или его раскидистых корнях, а в стенках его микроскопических клеток.

Единая клеточная стенка древесины построена из волокон целлюлозы — самого распространенного в природе полимера и основного структурного компонента всех растений и водорослей. Внутри каждого волокна находятся армирующие нанокристаллы целлюлозы , или CNC, которые представляют собой цепочки органических полимеров, образующие почти идеальные кристаллические узоры. В наномасштабе CNC прочнее и жестче, чем кевлар. Если бы кристаллы можно было перерабатывать в материалы в значительных количествах, ЧПУ могли бы стать путем к более прочным, более устойчивым пластикам природного происхождения.

Теперь команда Массачусетского технологического института разработала композит, состоящий в основном из нанокристаллов целлюлозы, смешанных с небольшим количеством синтетического полимера. Органические кристаллы занимают от 60 до 90 процентов материала — самая высокая доля CNC, достигнутая в композите на сегодняшний день.

Исследователи обнаружили, что композит на основе целлюлозы прочнее и жестче, чем некоторые типы костей, и тверже, чем обычные алюминиевые сплавы. Материал имеет каменную микроструктуру, напоминающую перламутр — твердую внутреннюю оболочку некоторых моллюсков.

Команда нашла рецепт композита на основе ЧПУ, который они могли изготовить с использованием как 3D-печати, так и обычного литья. Они напечатали и отлили композит в кусочки пленки размером с пенни, которые они использовали для проверки прочности и твердости материала. Они также придали композиту форму зуба, чтобы показать, что однажды этот материал можно будет использовать для изготовления зубных имплантатов на основе целлюлозы — и, если уж на то пошло, любых пластиковых изделий, — которые будут прочнее, жестче и устойчивее.

«Создавая композиты с ЧПУ при высоких нагрузках, мы можем придать материалам на основе полимеров механические свойства, которых у них раньше не было», — говорит А. Джон Харт, профессор машиностроения. «Если мы сможем заменить немного пластика на нефтяной основе целлюлозой природного происхождения, это, возможно, будет лучше и для планеты».

Харт и его команда, включая доктора философии Абхинава Рао. ’18, Thibaut Divoux и Crystal Owens SM ’17 опубликовали сегодня свои результаты в журнале Cellulose.

Гелевые связки

Ежегодно из коры, древесины или листьев растений синтезируется более 10 миллиардов тонн целлюлозы. Большая часть этой целлюлозы используется для производства бумаги и текстиля, а часть ее перерабатывается в порошок для использования в пищевых загустителях и косметике.

В последние годы ученые исследовали возможности использования нанокристаллов целлюлозы, которые можно извлечь из волокон целлюлозы путем кислотного гидролиза. Исключительно прочные кристаллы можно использовать в качестве естественного армирования в материалах на основе полимеров. Но исследователям удалось включить только небольшие фракции CNC, поскольку кристаллы имеют тенденцию слипаться и слабо связываться с молекулами полимера.

Харт и его коллеги стремились разработать композит с высокой долей ЧПУ, которому они могли бы придавать прочные и долговечные формы. Они начали со смешивания раствора синтетического полимера с коммерчески доступным порошком CNC. Команда определила соотношение ЧПУ и полимера, которое превратит раствор в гель с консистенцией, которую можно либо подавать через сопло 3D-принтера, либо заливать в форму для отливки. Они использовали ультразвуковой датчик, чтобы разрушить любые комки целлюлозы в геле, что повысило вероятность образования прочных связей диспергированной целлюлозы с молекулами полимера.

Часть геля они пропустили через 3D-принтер, а остальное залили в форму для отливки. Затем они дают напечатанным образцам высохнуть. В процессе материал сжался, оставив после себя твердый композит, состоящий в основном из нанокристаллов целлюлозы.

«В основном мы разбирали дерево и реконструировали его», — говорит Рао. «Мы взяли лучшие компоненты древесины, то есть нанокристаллы целлюлозы, и реконструировали их для создания нового композитного материала».

Жесткие трещины

Интересно, что, когда команда исследовала структуру композита под микроскопом, они заметили, что зерна целлюлозы располагаются в форме кирпича и раствора, похожей на архитектуру перламутра. В перламутре эта зигзагообразная микроструктура препятствует прохождению трещин прямо через материал. Исследователи обнаружили, что то же самое относится и к их новому целлюлозному композиту.

Они проверили устойчивость материала к трещинам, используя инструменты для инициирования сначала нано-, а затем и микротрещин. Они обнаружили, что в разных масштабах расположение зерен целлюлозы в композите предотвращает расщепление материала трещинами. Это сопротивление пластической деформации придает композиту твердость и жесткость на границе между обычными пластиками и металлами.

Двигаясь вперед, команда ищет способы минимизировать усадку гелей по мере их высыхания. Хотя усадка не является большой проблемой при печати небольших объектов, все, что покрупнее, может деформироваться или треснуть по мере высыхания композита.

«Если бы вы могли избежать усадки, вы могли бы продолжать масштабирование, возможно, до метровой шкалы», — говорит Рао. «Тогда, если бы мы мечтали о большем, мы могли бы заменить значительную часть пластмасс целлюлозными композитами».