Bien que peu appétissant dans cette photo de laboratoire, ces créatures sont déjà utilisées à de nombreuses autres fins, y compris comme ingrédient dans la cuisine asiatique. Crédit :Johan Foster
Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont combiné des dérivés de deux matériaux excédentaires - de la pâte de bois et des morceaux séchés d'un ravageur exotique envahissant - pour former un nouveau matériau composite flexible, durable, non toxique et réfléchissant la lumière UV. Le matériel, décrit dans un nouvel article publié dans Matériaux fonctionnels avancés , pourrait bientôt être utilisé dans une grande variété d'applications, y compris les emballages alimentaires, dispositifs biomédicaux, la construction de bâtiments et la conception de voitures, camions et bateaux.
La clé de ce mariage improbable du bois et des parasites est un motif appelé la « structure Bouligand, " dans lequel les molécules s'empilent en une forme tordue, semblable à de minuscules escaliers en colimaçon. Les scientifiques ont appris que la structure Bouligand offre une certaine résistance à la fissuration; la force d'un impact est guidée par ces minuscules, nanométrique, rebondissements en forme d'escalier à travers une série de détours. Plutôt que de craquer de part en part, l'énergie d'une bosse ou d'un crash est ainsi déviée à travers une sorte de chemin tortueux, laissant le matériau global intact et fonctionnel.
Si le bois n'a pas de structure bouligande naturelle, il attire les scientifiques depuis des décennies, en partie parce qu'il y a un approvisionnement suffisant de matériel restant après le traitement du papier et du bois d'œuvre commercial.
"L'idée de fabriquer des produits utiles à partir de pâte de bois a longtemps intrigué beaucoup de gens dans de nombreuses industries différentes, " dit Jeff Gilman, qui dirige l'équipe du projet composites au NIST.
En lavant cette pulpe avec de l'acide pour éliminer sa lignine et sa cellulose amorphe, les scientifiques ont découvert il y a plusieurs années qu'ils pouvaient créer une solution laiteuse qui finissait par sécher pour former un nouveau matériau avec une structure Bouligand. Le composant clé de cette solution était de minuscules bâtonnets cristallins de cellulose, appelés nanocristaux de cellulose ou nanocellulose. Cependant, par eux-même, les films Bouligand dérivés de la pâte sont cassants et ne supporteront pas beaucoup de poids.
Les chercheurs démontrent le pliage de la pâte de bois sans tunicier ajouté. Crédit : B. Natarajan/NIST
L'équipe du NIST a émis l'hypothèse que la combinaison des tiges courtes de nanocellulose dérivées du bois avec un autre matériau naturel avec des tiges cristallines plus longues aboutirait à quelque chose de nouveau qui serait incroyablement solide et flexible. Avec des additifs appropriés, ce nouveau matériau pourrait être utilisé pour créer des films qui pourraient ralentir la diffusion de l'eau et de l'oxygène.
"Le bon produit, si développé, pourrait être utilisé dans tout, des composites aérospatiaux aux emballages qui garderaient les aliments frais, " a déclaré Gilman.
Une option pour le nouveau matériau composite :les carcasses d'une créature aquatique desséchée appelée tunicier qui est considérée comme un ravageur dans certains pays et un régal dans d'autres.
Dans de nombreuses régions d'Asie, les créatures aquatiques brunes ( Stylela clava ) sont souvent cuisinés et servis dans des sauces épicées. Mais sans prédateurs naturels présents pour les manger dans de nouveaux environnements, leurs populations commencent à croître en nombres surabondants qui finissent par obstruer les moteurs des bateaux et les engins de pêche, surpasser les poissons indigènes, réduire les populations saines de plancton et polluer et ruiner les bancs de coquillages productifs. Certains gestionnaires de l'environnement pensent que trouver un moyen de les supprimer et de les utiliser comme ressource pourrait servir un objectif bénéfique. Les récolter est une option. Comme une huître, l'intérieur d'un tunicier est considéré comme le morceau savoureux. L'extérieur est généralement simplement jeté, ce qui signifie qu'il pourrait y avoir une source prête pour ce matériau dans les zones où ils sont souvent cuits.
Les chercheurs démontrent le pliage de la pâte de bois avec 5 % de tuniciers ajoutés. Crédit : B. Natarajan/NIST
Ce qui a particulièrement intrigué les chercheurs du NIST, cependant, était la structure interne du tunicier, qui était fait de très long, nanocellulose hautement cristalline. Ceux-ci étaient différents des cristaux plus courts trouvés dans le bois.
"Les tuniciers se sont imposés comme l'étalon-or pour leurs propriétés physiques, " a déclaré Johan Foster de Virginia Tech University, qui est l'une des rares équipes travaillant sur la récolte et la recherche sur les tuniciers dans le monde. Foster a collecté et fourni les tuniciers pour le projet NIST à partir d'un quai dans l'ouest de la France, où les animaux sont considérés comme une espèce nuisible.
Certains scientifiques avaient supposé qu'un composite entièrement composé de nanocellulose de tuniciers cristallins longs serait incroyablement solide et résistant. Cependant, en testant des matériaux composites mixtes tuniciers/bois séchés, l'auteur principal Bharath Natarajan a pu identifier le point exact de la plus grande ténacité.
"Si vous mettez un peu de tunicier dans le composite de pâte de bois, ça le rend un peu plus rigide, et il casse moins vite et devient plus souple, " a déclaré Natarajan. " Mettez 10 pour cent et c'est deux fois plus fort. Si votre mélange contient 30 pour cent de tunicier et 70 pour cent de pâte de bois, le composite résultant est 15 à 20 fois plus résistant. Mais après ça, vous ne voyez vraiment pas d'amélioration de la force, et il y a une réduction de la ténacité."
Les chercheurs démontrent le pliage de la pâte de bois avec 30 % de tuniciers ajoutés. Crédit : B. Natarajan/NIST
Les tuniciers sont abondants, mais restent coûteux à traiter, donc savoir exactement combien ajouter est la clé pour augmenter leur utilisation à l'avenir, et pour garder les produits résultants abordables.
L'ajout des tuniciers a également provoqué une torsion différente des nanocristaux et accéléré la formation de la structure dans la pâte de bois. Il a également formé un motif qui était plus serré et plus dense, rendant le nouveau matériau composite réfléchissant les UV.
"Beaucoup de matériaux commencent à se dégrader s'ils sont exposés au soleil pendant longtemps, " a déclaré Gilman. " Ce matériau pourrait potentiellement être utilisé comme revêtement sur d'autres surfaces afin de refléter la lumière et de prolonger la durabilité. "
Dans les années à venir, Natarajan et son équipe continueront de tester des façons dont leur nouveau mélange de pâte de tunicier et de bois pourrait être utilisé pour fabriquer des produits résilients, composites flexibles et réfléchissant les UV pour une utilisation dans la fabrication de matériaux durables, automobiles légères et véhicules aérospatiaux, entre autres produits.
Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.
