Théoriquement, la nanocellulose pourrait être le prochain supermatériau chaud.

Une classe de matériaux biologiques trouvés dans de nombreux systèmes naturels, notamment des arbres, les nanocristaux de cellulose ont retenu l'attention des chercheurs pour leur extrême résistance, dureté, poids léger, et l'élasticité. Les matériaux sont si solides et résistants, En réalité, que beaucoup de gens pensent qu'ils pourraient remplacer le Kevlar dans les gilets balistiques et les casques de combat pour les militaires. Contrairement à leur matière première (le bois), les nanocristaux de cellulose sont transparents, ce qui en fait des candidats passionnants pour les lunettes de protection, les fenêtres, ou affiche.

Bien qu'il y ait beaucoup d'enthousiasme autour de l'idée de matériaux à base de nanocellulose, la réalité tombe souvent à plat.

"Il est difficile de matérialiser ces propriétés théoriques dans des expériences, " a déclaré Sinan Keten de Northwestern Engineering. " Les chercheurs fabriqueront des matériaux composites avec de la nanocellulose et découvriront qu'ils sont en deçà de la théorie. "

Keten, professeur assistant de mécanique, civil, et le génie de l'environnement à la McCormick School of Engineering de la Northwestern University, et son équipe rapprochent le monde d'une approche des matériaux par conception pour le développement de nanocomposites avec de la cellulose. Ils ont développé un roman, cadre de calcul multi-échelle qui explique pourquoi ces expériences ne produisent pas le matériau idéal et propose des solutions pour corriger ces lacunes, spécifiquement en modifiant la chimie de surface des nanocristaux de cellulose pour obtenir une plus grande liaison hydrogène avec les polymères.

Soutenu par l'Army Research Office et l'Institut national des normes et de la technologie, la recherche apparaît dans le numéro de septembre de Lettres nano . Xin Qin et Wenjie Xia, étudiants diplômés du laboratoire de Keten, sont co-premiers auteurs de l'article. Robert Sinko, un autre diplômé du laboratoire de Keten, également contribué à l'étude.

Trouvé dans les parois cellulaires du bois, les nanocristaux de cellulose sont un candidat idéal pour les nanocomposites polymères, des matériaux dans lesquels une matrice polymère synthétique est incrustée de particules de charge nanométriques. Les nanocomposites sont généralement des charges synthétiques, comme la silice, argile, ou du noir de carbone, et sont utilisés dans une myriade d'applications allant des pneus aux biomatériaux.

« Les nanocristaux de cellulose sont une alternative intéressante car ils sont naturellement biodisponibles, renouvelable, non toxique, et relativement bon marché, ", a déclaré Keten. "Et ils peuvent être facilement extraits des sous-produits de la pâte de bois de l'industrie du papier."

Des problèmes surgissent, cependant, lorsque les chercheurs tentent de combiner les particules de charge de nanocellulose avec la matrice polymère. Le domaine n'a pas compris comment la quantité de charge affecte les propriétés globales du composite ainsi que la nature des interactions à l'échelle nanométrique entre la matrice et la charge.

La solution de Keten améliore cette compréhension en se concentrant sur les échelles de longueur des matériaux plutôt que sur la nature des matériaux eux-mêmes. En comprenant quels facteurs influencent les propriétés à l'échelle atomique, son approche informatique peut prédire les propriétés du nanocomposite à mesure qu'il grandit en taille, avec un besoin minimal d'expérimentation.

"Plutôt que de simplement produire un matériau puis de le tester pour voir quelles sont ses propriétés, nous ajustons plutôt stratégiquement les paramètres de conception afin de développer des matériaux avec une propriété ciblée à l'esprit, " dit Sinko. " Quand vous égalisez la musique, vous pouvez tourner les boutons pour régler les basses, tripler, etc. pour produire le son souhaité. Dans les matériaux par conception, nous pouvons également « tourner les boutons » de paramètres spécifiques pour ajuster les propriétés résultantes. »