Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har kombinerat derivat av två överskottsmaterial-trämassa och uttorkade bitar av en invasiv exotisk skadedjur-för att bilda ett nytt kompositmaterial som är flexibelt, hållbar, giftfri och UV-ljusreflekterande. Materialet, beskrivs i en ny artikel publicerad i Avancerade funktionella material , kan snart användas i en mängd olika applikationer, inklusive livsmedelsförpackningar, biomedicinska anordningar, byggnadskonstruktion och design av bilar, lastbilar och båtar.

Nyckeln till detta osannolika äktenskap av trä och skadedjur är ett motiv som kallas "Bouligand -strukturen, "där molekyler staplas i en vriden form, liknar små spiraltrappor. Forskare har lärt sig att Bouligand -strukturen ger en viss typ av motståndskraft mot sprickbildning; kraften i en påverkan styrs av de små, nanoserad, trappliknande vändningar genom en rad omvägar. Istället för att spricka rakt igenom, energin från en stöt eller krasch avböjs således genom en slags krånglig väg, lämnar det övergripande materialet intakt och funktionellt.

Trä har inte en naturlig Bouligand -struktur, det har lockat forskare i årtionden, delvis för att det finns gott om material kvar efter bearbetning av papper och kommersiellt virke.

"Idén om att göra användbara produkter av trämassa har länge fascinerat många människor i många olika branscher, säger Jeff Gilman, som leder kompositprojektgruppen på NIST.

Genom att tvätta massan med syra för att ta bort dess lignin och amorfa cellulosa, forskare upptäckte för flera år sedan att de kunde skapa en mjölkaktig lösning som slutligen torkade för att bilda ett nytt material med en Bouligand -struktur. Nyckelkomponenten i denna lösning var små kristallina stavar av cellulosa, känd som cellulosananokristaller eller nanocellulosa. Dock, själva, de massa-härledda Bouligand-filmerna är spröda och håller inte så mycket vikt.

NIST-teamet antog att en kombination av de korta nanocellulosa-stavarna från trä med ett annat naturmaterial med längre kristallina stavar skulle resultera i något nytt som skulle vara otroligt starkt och flexibelt. Med lämpliga tillsatser, detta nya material kan användas för att skapa filmer som kan bromsa spridningen av vatten och syre.

"Rätt produkt, om utvecklat, kan användas i allt från rymdkompositer till förpackningar som håller maten färsk, Sa Gilman.

Ett alternativ för det nya kompositmaterialet:slaktkroppar av en uttorkad vattenlevande varelse som kallas en tunika som anses vara ett skadedjur i vissa länder och en utsökt godbit i andra.

I många delar av Asien, de bruna vattenlevande varelserna ( Styela clava ) tillagas ofta och serveras i kryddiga såser. Men utan naturliga rovdjur närvarande för att äta dem i nya miljöer, deras populationer börjar växa till överflödiga antal som så småningom täpper till båtmotorer och fiskeredskap, utkonkurrera inhemsk fisk, minska friska planktonpopulationer och stygga och förstöra produktiva skaldjursbäddar. Vissa miljöchefer tror att att hitta ett sätt att ta bort och använda dem som en resurs kan tjäna ett fördelaktigt syfte. Att skörda dem är ett alternativ. Som en ostron, insidan av en tunika anses vara den goda biten. Utsidan kastas vanligtvis bara, vilket betyder att det kan finnas en klar källa för detta material i områden där de ofta tillagas.

Det som särskilt intresserade NIST -forskarna, dock, var tunikatens inre struktur, som var gjord av mycket lång, mycket kristallin nanocellulosa. Dessa skiljer sig från de kortare kristallerna som finns i trä.

"Tunikater har stått som guldstandard för sina fysiska egenskaper, "sa Johan Foster från Virginia Tech University, som är en av bara en handfull team som arbetar med tunikatskörd och forskning runt om i världen. Foster samlade och levererade mantlarna för NIST -projektet från en brygga i västra Frankrike, där djuren anses vara en störande art.

Vissa forskare hade antagit att en komposit helt och hållet tillverkad av lång kristallin tunikat nanocellulosa skulle vara otroligt stark och seg. Dock, genom att testa torkade blandade tunika/träkompositmaterial, huvudförfattaren Bharath Natarajan kunde identifiera den exakta punkten med största seghet.

"Om du lägger lite tunikat i trämassakompositen, det gör det lite styvare, och det går inte sönder lika snabbt och blir mer flexibelt, ”Sa Natarajan.” Lägg in 10 procent och det är dubbelt så starkt. Om din blandning är 30 procent tunikat och 70 procent trämassa, den resulterande kompositen är 15-20 gånger tuffare. Men efter det, du ser verkligen ingen förbättring i styrka, och det är en minskning av segheten. "

Tunika är rikligt, men förbli dyrt att bearbeta, så att veta exakt hur mycket som ska läggas till är nyckeln till att skala upp deras användning i framtiden, och för att hålla alla resulterande produkter överkomliga.

Att lägga till mantlarna fick också nanokristallerna att vridas på ett annat sätt och påskyndade strukturbildningen i vedmassan. Det bildade också ett mönster som var stramare och tätare, gör det nya kompositmaterialet UV-reflekterande.

"Många material börjar brytas ned om de utsätts för solen under lång tid, "sa Gilman." Detta material kan eventuellt användas som beläggning på andra ytor för att reflektera ljus och förlänga hållbarheten. "

Under de kommande åren, Natarajan och hans team kommer att fortsätta att testa hur deras nya blandning av tunikat-trä kan användas för att tillverka fjädrande, flexibla och UV-reflekterande kompositer för användning vid tillverkning av hållbara, lätta bilar och rymdfarkoster, bland andra produkter.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs den ursprungliga historien här.