Chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST), en collaboration avec le Government Publishing Office (GPO) des États-Unis, ont développé un roman, méthode non destructive pour mesurer rapidement les composants des fibres de bois et non ligneuses dans le papier.

L'identification et la mesure du ratio de fibres végétales utilisées pour fabriquer du papier ont une large application en médecine légale, conserver l'art, authentifier des documents historiques, évaluer le contenu du papier recyclé et s'assurer que les passeports et autres documents du gouvernement américain sont imprimés sur le papier de sécurité requis.

Par exemple, des documents gouvernementaux de haute qualité sont souvent créés avec des fibres non ligneuses telles que le coton. Les fibres dérivées du bois rendent le papier plus cassant avec le temps et peuvent aider à révéler son âge. Les enquêteurs médico-légaux sur les lieux d'un crime recherchent souvent le transfert de matériaux entre individus ; ces matériaux comprennent les types de fibres qui sont dans le papier.

Malgré son importance, la méthode actuelle d'analyse du papier a peu changé depuis que la technologue en fibres Mary Rollins du NIST (alors connue sous le nom de National Bureau of Standards) a aidé à lancer la méthode dans les années 1920 et 1930. Selon les normes modernes, cependant, la technique est laborieuse, chronophage et très subjectif. Le processus nécessite également de sacrifier une partie de l'échantillon de papier, qui peuvent être limités et nécessaires pour la preuve.

Pour libérer des fibres individuelles dans l'échantillon, le papier doit être bouilli dans l'eau, macéré (ramolli) avec un agitateur en verre et traité avec plusieurs produits chimiques. Ensuite, une pipette remplie de la solution de fibres est placée sur une lame de microscope pour sécher. Prochain, l'iode tache la fibre pour la rendre visible. Puis, l'analyste doit se fier à sa mémoire et à son acuité visuelle pour faire correspondre la forme des fibres colorées à des images de manuel d'une centaine de fibres végétales.

Les scientifiques du NIST Yaw Obeng, Affiche de Jan Obrzut et Dianne, avec le chercheur invité du NIST Michael Postek et leur collègue Mary Kombolias du GPO, ont maintenant fait entrer l'analyse des fibres du papier dans le 21e siècle, en utilisant une méthode récemment utilisée pour examiner le vieillissement des matériaux dans les dispositifs microélectroniques sur puces semi-conductrices. Leurs mesures peuvent être effectuées en quelques minutes et laissent toute la feuille de papier intacte.

La technique, connue sous le nom de spectroscopie diélectrique, identifie la composition des matériaux en examinant comment des molécules particulières réagissent à un champ électrique en évolution rapide. En adaptant la technique au papier, les chercheurs se sont concentrés sur le comportement des molécules d'eau, qui sont ajoutés au cours du processus de fabrication et sont également un élément clé des fibres végétales utilisées pour fabriquer le papier. (Les molécules d'eau sont un petit mais important constituant du papier sec.)

Les micro-ondes qui brillent sur une feuille de papier induisent la rotation des molécules. La vitesse à laquelle les molécules d'eau tournent dans le papier diffère de la vitesse à laquelle elles tourneraient dans l'espace libre. C'est parce que les molécules d'eau dans les fibres sont liées à des polymères naturels et à d'autres matériaux du papier, qui affectent le taux de rotation. La fréquence spécifique à laquelle les molécules d'eau tournent fournit donc un indice sur l'environnement chimique des molécules d'eau et donc sur le contenu du papier.

Les molécules d'eau fournissent d'excellentes sondes de la composition du papier dans lequel elles résident. L'eau est une molécule polaire, ce qui signifie que ses charges positives et négatives sont légèrement séparées les unes des autres. À la suite de cette séparation, une extrémité d'une molécule d'eau a une charge positive tandis que l'autre extrémité a une charge négative. Lorsqu'un champ électrique alternatif est appliqué au papier, la polarité des molécules d'eau s'aligne avec la direction du champ électrique. Lorsque le champ change de direction, ce qui arrive plusieurs milliards de fois par seconde, les molécules d'eau essaient de suivre, inversant leur polarité en synchronisation avec le champ. Mais le match n'est pas parfait.

C'est en grande partie parce que la réponse des molécules d'eau dépend de la composition du papier, en particulier de la nature des polymères auxquels les molécules d'eau sont liées. Par exemple, lignine, un polymère dans les parois cellulaires végétales qui rend les plantes rigides et ligneuses, ralentira considérablement la vitesse à laquelle les molécules d'eau peuvent changer d'orientation lorsqu'un champ électrique alternatif est appliqué. L'enregistrement du taux de réponse des molécules d'eau fournit donc une mesure très sensible du type de fibres végétales et de leur concentration dans un échantillon de papier.

"La rapidité avec laquelle les molécules d'eau s'adaptent au champ électrique alternatif nous en dit long sur la composition du papier, " dit Obeng.

Les chercheurs ont rendu compte de leurs découvertes dans un récent numéro de Journal de Tappi , qui comprend la recherche sur les produits forestiers et les industries connexes.

L'équipe, avec d'autres scientifiques, étudie maintenant comment la même méthode pourrait être utilisée pour détecter les bactéries nocives sur les surfaces des chambres d'hôpital, et sur le poisson récemment pêché et d'autres aliments périssables. La technique peut fonctionner car, tout comme les molécules d'eau, certaines bactéries ont une façon particulière de se réorienter en présence d'un courant électrique alternatif et de se détendre lorsque le courant est coupé.