Samma små cellulosakristaller som ger träd och växter sin höga styrka, lätt vikt och motståndskraft, har nu visat sig ha stålets styvhet.

Nanokristallerna kan användas för att skapa en ny klass av biomaterial med omfattande tillämpningar, som att stärka byggmaterial och fordonskomponenter.

Beräkningar med exakta modeller baserade på cellulosas atomstruktur visar att kristallerna har en styvhet på 206 gigapascal, som är jämförbart med stål, sa Pablo D. Zavattieri, en biträdande professor i byggnadsteknik vid Purdue University.

"Det här är ett material som visar riktigt fantastiska egenskaper, " sade han. "Det är rikligt, förnybar och produceras som avfall i pappersindustrin."

Resultaten beskrivs i ett forskningsdokument som finns på omslaget till decembernumret av tidskriften Cellulosa .

"Det är väldigt svårt att mäta egenskaperna hos dessa kristaller experimentellt eftersom de är väldigt små, " sa Zavattieri. "För första gången, vi förutspådde deras egenskaper med hjälp av kvantmekanik."

Nanokristallerna är cirka 3 nanometer breda och 500 nanometer långa - eller cirka 1/1, 000:e bredden av ett sandkorn - vilket gör dem för små för att studera med ljusmikroskop och svåra att mäta med laboratorieinstrument.

Uppsatsen skrevs av Purdue doktorand Fernando L. Dri; Louis G. Hector Jr., en forskare från Chemical Sciences and Materials Systems Laboratory vid General Motors Research and Development Center; Robert J. Moon, en forskare från U.S. Forest Service's Forest Products Laboratory; och Zavattieri.

Fynden representerar en milstolpe för att förstå det grundläggande mekaniska beteendet hos cellulosananokristallerna.

"Det är också det första steget mot en flerskalig modellering för att förstå och förutsäga beteendet hos enskilda kristaller, samspelet mellan dem, och deras interaktion med andra material, ", sa Zavattieri. "Detta är viktigt för utformningen av nya cellulosabaserade material eftersom andra forskargrupper överväger dem för en stor mängd olika tillämpningar, allt från elektronik och medicinsk utrustning till strukturella komponenter för fordon, civil- och flygindustrin."

Cellulosananokristallerna representerar ett potentiellt grönt alternativ till kolnanorör för förstärkningsmaterial som polymerer och betong. Tillämpningar för biomaterial gjorda av cellulosananokristallerna kan innefatta biologiskt nedbrytbara plastpåsar, textilier och sårförband; flexibla batterier tillverkade av elektriskt ledande papper; ny teknik för läkemedelsleverans; transparenta flexibla displayer för elektroniska anordningar; speciella filter för vattenrening; nya typer av sensorer; och datorminne.

Cellulosa kan komma från en mängd olika biologiska källor inklusive träd, växter, alger, havslevande organismer som kallas manteldjur, och bakterier som skapar en skyddande väv av cellulosa.

"Med detta i åtanke, cellulosa nanomaterial är i sig förnybara, hållbar, biologiskt nedbrytbara och kolneutrala som källorna från vilka de utvanns, Moon sa. "De har potential att bearbetas i industriell skala kvantiteter och till låg kostnad jämfört med andra material."

Tillverkning av biomaterial kan vara en naturlig förlängning av pappers- och biobränsleindustrin, med teknik som redan är väletablerad för cellulosabaserade material.

"Några av pappersindustrins biprodukter går nu till att tillverka biobränslen, så vi kunde bara lägga till en annan process för att använda överbliven cellulosa för att göra ett kompositmaterial, "Månen sa. "Cellulosakristallerna är svårare att bryta ner till sockerarter för att göra flytande bränsle. Så låt oss göra en produkt av det, bygger på den befintliga infrastrukturen för massa- och pappersindustrin."

Deras yta kan modifieras kemiskt för att uppnå olika ytegenskaper.

"Till exempel, du kanske vill modifiera ytan så att den binder starkt med en förstärkande polymer för att göra en ny typ av segt kompositmaterial, eller så kanske du vill ändra de kemiska egenskaperna så att den beter sig annorlunda med sin miljö, " sa Moon.

Zavattieri planerar att utöka sin forskning för att studera egenskaperna hos alfa-kitin, ett material från skal av organismer inklusive hummer, krabbor, blötdjur och insekter. Alfa-kitin verkar ha liknande mekaniska egenskaper som cellulosa.

"Detta material är också rikligt, förnybart och avfall från livsmedelsindustrin, " han sa.