Forskare vid University of Maryland upptäckte nyligen att papper gjort av cellulosafibrer är segare och starkare ju mindre fibrerna blir. Under en lång tid, ingenjörer har sökt ett material som är både starkt (beständigt mot icke-återställbar deformation) och segt (tolerant mot skador).
"Styrka och seghet är ofta exklusiva för varandra, sa Teng Li, docent i maskinteknik vid UMD. "Till exempel, ett starkare material tenderar att vara skört, som gjutjärn eller diamant."
UMD-teamet fortsatte utvecklingen av ett starkt och tufft material genom att utforska de mekaniska egenskaperna hos cellulosa, den mest förekommande förnybara bioresursen på jorden. Forskare gjorde papper med flera storlekar av cellulosafibrer – allt för små för ögat att se – i storlek från cirka 30 mikrometer till 10 nanometer. Papperet av 10 nanometer tjocka fibrer var 40 gånger segare och 130 gånger starkare än vanligt anteckningsbokpapper, som är gjord av cellulosafibrer tusen gånger större.
"Dessa fynd kan leda till en ny klass av högpresterande tekniska material som är både starka och tuffa, en helig gral i materialdesign, " sa Li.
Högpresterande men ändå lätta cellulosabaserade material kan en dag ersätta konventionella strukturella material (dvs metaller) i applikationer där vikten är viktig. Detta kan leda till till exempel, till mer energieffektiva och "gröna" fordon. Dessutom, teammedlemmar säger, transparent cellulosananopapper kan bli möjligt som ett funktionellt substrat i flexibel elektronik, resulterar i papperselektronik, utskrivbara solceller och flexibla displayer som radikalt kan förändra många aspekter av det dagliga livet.
Cellulosafibrer kan lätt bilda många vätebindningar. En gång bruten, vätebindningarna kan reformeras av sig själva – vilket ger materialet en "självläkande" kvalitet. UMD upptäckte att ju mindre cellulosafibrerna var, desto fler vätebindningar per kvadratyta. Detta innebär att papper av mycket små fibrer både kan hålla ihop bättre och omformas snabbare, vilket är nyckeln för att cellulosananopaper ska vara både starkt och segt.
"Det är bra att veta varför cellulosananopapper är både starkt och segt, speciellt när den bakomliggande orsaken också är tillämplig på många andra material, " sa Liangbing Hu, biträdande professor i materialvetenskap vid UMD.
Att bekräfta, forskarna provade ett liknande experiment med kolnanorör som var lika stora som cellulosafibrerna. Kolnanorören hade mycket svagare bindningar som höll ihop dem, så under spänning höll de inte ihop lika bra. Papper tillverkat av kolnanorör är svagt, men individuellt nanorör är utan tvekan det starkaste materialet som någonsin gjorts.
En möjlig framtida riktning för forskningen är förbättringen av den mekaniska prestandan hos papper i kolnanorör.
"Papper gjort av ett nätverk av kolnanorör är mycket svagare än förväntat, sade Li. det har varit en stor utmaning att översätta de suveräna egenskaperna hos kolnanorör i nanoskala till makroskala. Våra forskningsrön belyser ett hållbart tillvägagångssätt för att ta itu med denna utmaning och uppnå kolnanorörspapper som är både starkt och tufft."
