Cette image au microscope électronique à transmission montre des nanocristaux de cellulose, de minuscules structures qui donnent aux arbres et aux plantes leur grande résistance, légèreté et résilience. Les nanocristaux pourraient être utilisés pour créer une nouvelle classe de biomatériaux qui auraient un large éventail d'applications. Crédit :Centre de microscopie des sciences de la vie Purdue
Les mêmes minuscules cristaux de cellulose qui donnent aux arbres et aux plantes leur haute résistance, légèreté et résilience, ont maintenant été montrés pour avoir la rigidité de l'acier.
Les nanocristaux pourraient être utilisés pour créer une nouvelle classe de biomatériaux avec un large éventail d'applications, comme le renforcement des matériaux de construction et des composants automobiles.
Des calculs utilisant des modèles précis basés sur la structure atomique de la cellulose montrent que les cristaux ont une rigidité de 206 gigapascals, qui est comparable à l'acier, dit Pablo D. Zavattieri, professeur adjoint de génie civil à l'Université Purdue.
"C'est un matériau qui montre des propriétés vraiment étonnantes, " dit-il. " Il est abondant, renouvelables et produits comme déchets dans l'industrie du papier.
Les résultats sont détaillés dans un document de recherche présenté sur la couverture du numéro de décembre de la revue Cellulose .
"Il est très difficile de mesurer expérimentalement les propriétés de ces cristaux car ils sont vraiment minuscules, " dit Zavattieri. " Pour la première fois, nous avons prédit leurs propriétés en utilisant la mécanique quantique."
Les nanocristaux mesurent environ 3 nanomètres de large sur 500 nanomètres de long - soit environ 1/1, 000e de la largeur d'un grain de sable - ce qui les rend trop petits pour être étudiés avec des microscopes optiques et difficiles à mesurer avec des instruments de laboratoire.
L'article a été rédigé par le doctorant de Purdue Fernando L. Dri; Louis G. Hector Jr., un chercheur du Laboratoire des sciences chimiques et des systèmes de matériaux du Centre de recherche et de développement de General Motors ; Robert J. Moon, un chercheur du laboratoire des produits forestiers du Service forestier des États-Unis ; et Zavattieri.
Les résultats représentent une étape importante dans la compréhension du comportement mécanique fondamental des nanocristaux de cellulose.
Cette illustration représente les détails structurels des nanocristaux de cellulose. Crédit :Image de l'Université Purdue/Pablo Zavattieri
"C'est aussi la première étape vers une approche de modélisation multi-échelle pour comprendre et prédire le comportement des cristaux individuels, l'interaction entre eux, et leur interaction avec d'autres matériaux, " a déclaré Zavattieri. " Ceci est important pour la conception de nouveaux matériaux à base de cellulose, car d'autres groupes de recherche les envisagent pour une grande variété d'applications, allant de l'électronique et des dispositifs médicaux aux composants structurels pour l'automobile, industries civiles et aérospatiales.
Les nanocristaux de cellulose représentent une alternative verte potentielle aux nanotubes de carbone pour le renforcement de matériaux tels que les polymères et le béton. Les applications des biomatériaux fabriqués à partir des nanocristaux de cellulose pourraient inclure des sacs en plastique biodégradables, textiles et pansements; piles souples en papier électriquement conducteur; nouvelles technologies d'administration de médicaments; écrans souples transparents pour appareils électroniques; filtres spéciaux pour la purification de l'eau; nouveaux types de capteurs; et la mémoire de l'ordinateur.
La cellulose pourrait provenir de diverses sources biologiques, notamment des arbres, les plantes, algues, les organismes océaniques appelés tuniciers, et des bactéries qui créent une toile protectrice de cellulose.
"Avec ça en tête, les nanomatériaux cellulosiques sont intrinsèquement renouvelables, durable, biodégradables et neutres en carbone comme les sources dont ils ont été extraits, " Moon a déclaré. "Ils ont le potentiel d'être traités à des quantités à l'échelle industrielle et à faible coût par rapport à d'autres matériaux."
La fabrication de biomatériaux pourrait être un prolongement naturel des industries du papier et des biocarburants, en utilisant une technologie déjà bien établie pour les matériaux à base de cellulose.
"Certains des sous-produits de l'industrie du papier servent désormais à fabriquer des biocarburants, nous pourrions donc simplement ajouter un autre processus pour utiliser les restes de cellulose pour fabriquer un matériau composite, " dit Moon. " Les cristaux de cellulose sont plus difficiles à décomposer en sucres pour faire du carburant liquide. Alors faisons-en un produit, en s'appuyant sur l'infrastructure existante de l'industrie des pâtes et papiers.
Leur surface peut être modifiée chimiquement pour obtenir différentes propriétés de surface.
"Par exemple, vous voudrez peut-être modifier la surface pour qu'elle se lie fortement avec un polymère de renforcement pour faire un nouveau type de matériau composite résistant, ou vous pourriez vouloir changer les caractéristiques chimiques afin qu'il se comporte différemment avec son environnement, " dit Lune.
Zavattieri envisage d'étendre ses recherches pour étudier les propriétés de l'alpha-chitine, un matériau provenant des carapaces d'organismes, y compris les homards, Crabes, mollusques et insectes. L'alpha-chitine semble avoir des propriétés mécaniques similaires à celles de la cellulose.
"Ce matériel est aussi abondant, renouvelables et déchets de l'industrie alimentaire, " il a dit.
