Desarrollan un nuevo material de impresión 3D a base de plantas resistente y duro

El nuevo compuesto, desarrollado por el MIT, es un derivado de plantas tan resistente como el hueso y tan duro como el aluminio. El material podría allanar el camino para los plásticos sostenibles

 

La parte más fuerte de un árbol no se encuentra en su tronco ni en sus raíces, sino en las paredes de sus células microscópicas. Una sola pared celular de madera está construida con fibras de celulosa, el polímero más abundante de la naturaleza y el principal componente estructural de todas las plantas y algas. Dentro de cada fibra hay nanocristales de celulosa de refuerzo, o CNC, que son cadenas de polímeros orgánicos dispuestos en un cristal casi perfecto.

 

 

En la nanoescala, los CNC son más fuertes y rígidos que el Kevlar. Si los cristales pudieran trabajarse en materiales en fracciones significativas, los CNC podrían ser una ruta hacia plásticos de origen natural más fuertes y sostenibles.

 

Ahora, un equipo del MIT ha diseñado un compuesto hecho principalmente de nanocristales de celulosa mezclados con un poco de polímero sintético.Los cristales orgánicos ocupan entre el 60 y el 90 por ciento del material, la fracción más alta de CNC lograda en un compuesto hasta la fecha. Los investigadores encontraron que el compuesto a base de celulosa es más fuerte y resistente que algunos tipos de huesos, y más duro que las aleaciones de aluminio típicas.

 

El material tiene una microestructura de ladrillo y mortero que se asemeja al nácar, el revestimiento interior duro de algunos moluscos.

 

El equipo encontró una receta para el compuesto basado en CNC que podían fabricar usando impresión 3D y fundición convencional. Imprimieron y moldearon el compuesto en piezas de película del tamaño de un centavo que usaron para probar la resistencia y dureza del material. También mecanizó el compuesto en la forma de un diente para mostrar que el material algún día podría usarse para fabricar implantes dentales a base de celulosa, y para el caso, cualquier producto de plástico, que son más fuertes, más resistentes y más sostenibles. “Al crear compuestos con CNC a alta carga, podemos dar a los materiales basados ​​en polímeros propiedades mecánicas que nunca antes habían tenido”, dice A. John Hart, profesor de ingeniería mecánica. “Si podemos reemplazar algunos plásticos a base de petróleo con derivados naturales celulosa plástica, posiblemente también sea mejor para el planeta”.

 

Hart y su equipo, incluidos Abhinav Rao PhD ’18, Thibaut Divoux y Crystal Owens SM ’17, publicaron sus resultados en la revista Cellulose.

 

Bonos de gel

Cada año, se sintetizan más de 10 mil millones de toneladas de celulosa a partir de la corteza, la madera o las hojas de las plantas. La mayor parte de esta celulosa se utiliza para fabricar papel y textiles, mientras que una parte se procesa en polvo para su uso en espesantes alimentarios y productos cosméticos. En los últimos años, los científicos han explorado usos para los nanocristales de celulosa, que se pueden extraer de las fibras de celulosa mediante hidrólisis ácida. Los cristales excepcionalmente fuertes podrían usarse como refuerzos naturales en materiales basados ​​en polímeros. Pero los investigadores solo han podido incorporar fracciones bajas de CNC, ya que los cristales han tendido a agruparse y solo se unen débilmente con moléculas de polímero.

 

Hart y sus colegas buscaron desarrollar un compuesto con una alta fracción de CNC, que pudieran moldear en formas fuertes y duraderas. Comenzaron mezclando una solución de polímero sintético con polvo CNC disponible comercialmente. El equipo determinó la proporción de CNC y polímero. que convertiría la solución en un gel, con una consistencia que podría alimentarse a través de la boquilla de una impresora 3D o verterse en un molde para ser moldeado.Usaron una sonda ultrasónica para romper los grumos de celulosa en el gel. , lo que hace más probable que la celulosa dispersa forme enlaces fuertes con moléculas de polímero. Alimentaron parte del gel a través de una impresora 3D y vertieron el resto en un molde para moldearlo. Luego dejaron que las muestras impresas se secaran.

 

En el proceso, el material se encogió, dejando atrás un compuesto sólido compuesto principalmente de nanocristales de celulosa. “Básicamente, deconstruimos la madera y la reconstruimos”, dice Rao. “Tomamos los mejores componentes de la madera, que son los nanocristales de celulosa, y los reconstruimos para lograr un nuevo material compuesto”.

 

Grietas duras

Curiosamente, cuando el equipo examinó la estructura del compuesto bajo un microscopio, observaron que los granos de celulosa se asentaron en un patrón de ladrillo y cemento, similar a la arquitectura del nácar. En el nácar, esta microestructura en zigzag evita que una grieta corra en línea recta. a través del material Los investigadores encontraron que este también es el caso con su nuevo compuesto de celulosa. Probaron la resistencia del material a las grietas, usando herramientas para iniciar primero grietas a escala nano y luego a microescala. Descubrieron que, a través de múltiples escalas, la disposición de los granos de celulosa del compuesto evitaba que las grietas dividieran el material. Esta resistencia a la deformación plástica da el compuesto una dureza y rigidez en el límite entre los plásticos convencionales y los metales.

 

En el futuro, el equipo está buscando formas de minimizar la contracción de los geles a medida que se secan.Si bien la contracción no es un gran problema al imprimir objetos pequeños, cualquier cosa más grande podría torcerse o agrietarse a medida que se seca el compuesto. “Si pudieras evitar la contracción, podrías seguir escalando, tal vez a la escala de un metro”, dice Rao. “Entonces, si tuviéramos que soñar en grande, podríamos reemplazar una fracción significativa de plásticos, con compuestos de celulosa”.

 

Esta investigación fue financiada, en parte, por Procter and Gamble Corporation y por la Beca de Graduados en Ingeniería y Ciencias de la Defensa Nacional (EE.UU).

 

Fuente e imagen: https://news.mit.edu