Teoretiskt sett nanocellulosa kan vara nästa heta supermaterial.

En klass av biologiska material som finns i många naturliga system, framför allt träd, cellulosananokristaller har fångat forskarnas uppmärksamhet för sin extrema styrka, seghet, lättvikt, och elasticitet. Materialen är så starka och sega, faktiskt, att många tror att de skulle kunna ersätta Kevlar i ballistiska västar och stridshjälmar för militär. Till skillnad från deras källmaterial (trä), cellulosa nanokristaller är transparenta, gör dem till spännande kandidater för skyddsglasögon, fönster, eller visar.

Även om det är mycket spänning kring idén om nanocellulosabaserade material, verkligheten faller ofta platt.

"Det är svårt att få dessa teoretiska egenskaper att förverkligas i experiment, "sade Northwestern Engineering Sinan Keten." Forskare kommer att göra kompositmaterial med nanocellulosa och upptäcka att de saknar teori. "

Keten, en biträdande professor i mekanik, civil, och miljöteknik vid Northwestern University McCormick School of Engineering, och hans team tar världen ett steg närmare en material-by-design strategi för att utveckla nanokompositer med cellulosa. De har utvecklat en roman, beräkningsramar i flera skalor som förklarar varför dessa experiment inte ger det ideala materialet och föreslår lösningar för att åtgärda dessa brister, specifikt genom att modifiera ytkemin för cellulosananokristaller för att uppnå större vätebindning med polymerer.

Med stöd av Army Research Office och National Institute of Standards and Technology, forskningen visas i septembernumret av Nano bokstäver . Xin Qin och Wenjie Xia, doktorander i Keten's lab, är första författare till tidningen. Robert Sinko, en annan examen i Keten's lab, bidragit också till studien.

Finns inom cellväggarna av trä, cellulosa -nanokristaller är en idealisk kandidat för polymer -nanokompositer - material där en syntetisk polymermatris är inbäddad i nanoskala fyllnadspartiklar. Nanokompositer är vanligtvis syntetiska fyllmedel, som kiseldioxid, lera, eller kolsvart, och används i en myriad av applikationer som sträcker sig från däck till biomaterial.

"Cellulosa nanokristaller är ett attraktivt alternativ eftersom de är naturligt biotillgängliga, förnybar, giftfri, och relativt billigt, "Keten sa." Och de kan enkelt extraheras från biprodukter från pappersmassa. "

Problem uppstår, dock, när forskare försöker kombinera partiklarna för nanocellulosa -fyllmedel med polymermatrisen. Fältet har saknat förståelse för hur mängden fyllmedel påverkar kompositens övergripande egenskaper samt arten av nanoskala interaktioner mellan matrisen och fyllmedlet.

Ketens lösning förbättrar denna förståelse genom att fokusera på materialens längdskalor snarare än själva materialets natur. Genom att förstå vilka faktorer som påverkar egenskaper på atomskala, hans beräkningssätt kan förutsäga nanokompositens egenskaper när den skalas upp i storlek - med ett minimalt behov av experiment.

"Istället för att bara producera ett material och sedan testa det för att se vad dess egenskaper är, vi anpassar istället strategiskt designparametrar för att utveckla material med en riktad egenskap i åtanke, "Sinko sa." När du utjämnar musik, du kan vrida på rattarna för att justera basen, diskant, etc. för att producera ett önskat ljud. I material-för-design, vi kan på samma sätt "vrida vredet" på specifika parametrar för att justera de resulterande egenskaperna. "