Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST), i samarbete med U.S. Government Publishing Office (GPO), har utvecklat en roman, icke-förstörande metod för att snabbt mäta trä- och icke-träfiberkomponenter i papper.

Att identifiera och mäta förhållandet mellan växtfibrer som används för att tillverka papper har stor tillämpning inom kriminell kriminalteknik, bevara konst, verifiera historiska dokument, bedöma innehållet i återvunnet papper och se till att pass och andra amerikanska regeringsdokument skrivs ut på nödvändigt säkerhetspapper.

Till exempel, Högkvalitativa myndighetsdokument skapas ofta med icke-träfibrer som bomull. Träfibrer gör papper mer sprött med tiden och kan hjälpa till att avslöja dess ålder. Kriminaltekniska utredare på en brottsplats letar ofta efter materialöverföring mellan individer; sådana material inkluderar de typer av fibrer som finns i papper.

Trots dess betydelse, den nuvarande metoden för att analysera papper har förändrats lite sedan fiberteknologen Mary Rollins från NIST (då känd som National Bureau of Standards) hjälpte till att banbryta metoden på 1920- och 30-talen. Med modern standard, dock, tekniken är mödosam, tidskrävande och mycket subjektivt. Processen kräver också att offra en del av pappersprovet, som kan vara begränsade och nödvändiga för bevisning.

För att frigöra enskilda fibrer i provet, papperet måste kokas i vatten, maserad (mjukad) med en omrörare av glas och behandlad med flera kemikalier. Därefter placeras en ögondroppar full av fiberlösningen på ett objektglas för att torka. Nästa, jod fläckar fibern för att göra den synlig. Sedan, analytikern måste förlita sig på hans eller hennes minne och synskärpa för att matcha formen på de färgade fibrerna till lärobokbilder av cirka 100 växtfibrer.

NIST-forskare Yaw Obeng, Jan Obrzut och Dianne affisch, tillsammans med NIST gästforskare Michael Postek och deras kollega Mary Kombolias från GPO, har nu tagit med fiberanalysen av papper till 2000 -talet, med en metod som nyligen använts för att undersöka materialets åldrande i mikroelektroniska enheter på halvledarchips. Mätningarna kan utföras på några minuter och lämna hela pappersarket intakt.

Tekniken, känd som dielektrisk spektroskopi, identifierar sammansättningen av material genom att undersöka hur särskilda molekyler reagerar på ett snabbt föränderligt elektriskt fält. Vid anpassning av tekniken till papper, forskarna fokuserade på beteendet hos vattenmolekyler, som tillsätts under tillverkningsprocessen och också är en nyckelkomponent i växtfibrerna som används för att göra papper. (Vattenmolekyler är en liten men viktig beståndsdel i torrt papper.)

Mikrovågor som lyser på ett pappersark får molekylerna att rotera. Hastigheten med vilken vattenmolekyler roterar i papper skiljer sig från den hastighet de skulle rotera i fritt utrymme. Det beror på att vattenmolekylerna i fibrerna är bundna till naturligt förekommande polymerer och andra material i papperet, som påverkar rotationshastigheten. Den specifika frekvens vid vilken vattenmolekylerna roterar ger därför en ledtråd om vattenmolekylernas kemiska miljö och därför innehållet i papperet.

Vattenmolekyler ger utmärkta sonder för sammansättningen av papperet där de finns. Vatten är en polär molekyl, vilket betyder att dess positiva och negativa laddningar är något åtskilda från varandra. Som ett resultat av denna separation, ena änden av en vattenmolekyl har en positiv laddning medan den andra änden har en negativ. När ett växlande elektriskt fält appliceras på papperet, vattenmolekylernas polaritet ligger i linje med det elektriska fältets riktning. När fältet vänder riktning, som händer många miljarder gånger i sekunden, vattenmolekylerna försöker följa efter, vända sin polaritet i synk med fältet. Men matchen är inte perfekt.

Det beror till stor del på att vattenmolekylernas respons beror på papperssammansättningen - speciellt naturen hos polymererna som vattenmolekylerna är bundna till. Till exempel, lignin, en polymer i växtcellväggar som gör växter stela och träiga, kommer avsevärt att sakta ner hastigheten med vilken vattenmolekylerna kan vända sin orientering när ett växlande elektriskt fält appliceras. Att registrera vattenmolekylernas svarshastighet ger därför ett mycket känsligt mått på typen av växtfibrer och deras koncentration i ett pappersprov.

"Hur snabbt vattenmolekylerna anpassar sig till det växlande elektriska fältet säger oss mycket om papperets sammansättning, " sa Obeng.

Forskarna rapporterade sina fynd i ett färskt nummer av Tappi Journal , som omfattar forskning om skogsprodukter och närliggande industrier.

Laget, tillsammans med andra forskare, undersöker nu hur samma metod kan användas för att upptäcka skadliga bakterier på ytor i sjukhusrum, och på nyligen fångad fisk och andra lättfördärliga livsmedel. Tekniken kan fungera eftersom precis som vattenmolekyler, vissa bakterier har ett distinkt sätt att omorientera sig i närvaro av en växelström och slappna av när strömmen stängs av.