Figure 1. L'analyse de la distribution à résolution de pixels montre que le retard optique diminue avec l'augmentation du degré de fibrillation pulpaire. Crédit :Université d'Osaka
Des chercheurs de l'Institut de recherche scientifique et industrielle de l'Université d'Osaka ont mis au point une nouvelle méthode pour déterminer le degré de fibrillation de la pâte de bois. En tirant parti de la biréfringence optique intrinsèque de la cellulose, ils ont pu mesurer le changement de morphologie grâce à la distribution de retard optique. Ce travail peut conduire à un classement clair et à une utilisation intelligente de la biomasse renouvelable, nanofibres de cellulose.
Cellulose, le principal composant structurel de la plupart des plantes, a été récolté par l'humanité pendant des millénaires en tant que biomatériau important pour l'habillement, papier, et structures en bois. Plus récemment, des nanofibres de cellulose ont été produites, qui ont l'avantage de diverses fonctionnalités dérivées des cristaux à chaîne allongée qui composent la cellulose, y compris la biréfringence optique. La biréfringence se produit lorsque la vitesse effective de la lumière à l'intérieur d'un matériau dépend de sa polarisation; dans ce cas, si la lumière est polarisée parallèlement ou perpendiculairement aux chaînes polymères.
Maintenant, une équipe de scientifiques de l'université d'Osaka a mis au point un système d'analyse optique capable de quantifier directement le degré de fibrillation des pâtes de bois. La fibrillation est le processus de diminution du regroupement des molécules de cellulose dans les fibres de pâte à micro-échelle pour former des fibres à l'échelle nanométrique. Par rapport à la mesure minutieuse des largeurs de fibres avec un microscope électronique, cette technique détermine rapidement et facilement si les fibres de cellulose sont alignées ou dispersées dans des orientations aléatoires. "Notre système propose des critères clairs et quantifiables pour évaluer la qualité des nanofibres de cellulose, " dit le premier auteur Kojiro Uetani.
Figure 2. Distribution du retard optique dans les suspensions pulpaires, qui change en fonction du degré de fibrillation. Crédit :Université d'Osaka
Ceci est accompli en observant les fibres de cellulose dans une cellule d'écoulement en quartz avec un microscope à biréfringence. L'échantillon est éclairé par le bas avec une lumière polarisée circulairement, qui a une orientation de champ électrique qui tourne dans l'espace comme une hélice. Les régions des fibres avec une grande biréfringence provoqueront un retard optique plus important dans la phase de la lumière. A l'aide d'un microscope à biréfringence, les chercheurs ont pu enregistrer cette valeur pixel par pixel. Ils ont constaté que le retard optique moyen et son écart type étaient corrélés au degré de fibrillation. Des valeurs de retard importantes étaient associées à des fibres de pulpe intactes, tandis que des valeurs plus faibles ont été observées avec une structure en forme de ballon dans les pulpes en fibrillation, et de très faibles valeurs se sont produites avec des nanofibres dispersées.
"Nous espérons promouvoir le contrôle précis de la structure et l'utilisation avancée des pâtes de bois et des nanofibres de cellulose, " dit l'auteur principal Masaya Nogi. En plus des résultats de l'article décrit ci-dessus, l'équipe a également confirmé qu'il est possible de déterminer automatiquement le degré de fibrillation d'échantillons de pulpe inconnus par apprentissage en profondeur d'images de retard. Ce système devrait conduire à une définition plus claire et plus automatique du degré de fibrillation par l'intelligence artificielle (IA) à l'avenir et deviendra une technologie d'analyse clé pour indiquer la qualité des matériaux de pâte et des nanofibres de cellulose.
