Az alapanyaga fa, ám olyan erős, mint az alumínium

A természetben előforduló leggyakoribb polimer a cellulóz, amely a növényi sejtfalakban lévő rostokat alkotja. Az egyes rostokban cellulóz-nanokristályok találhatóak, amelyek szinte tökéletes kristályelrendeződésben állnak, és nanoléptékben erősebbek, mint a kevlár. A Massachusettsi Műszaki Egyetem (MIT) kutatói szerint, ha ezt a nanokristályt jelentős részarányban bele tudják dolgozni valamilyen anyagba, akkor a műanyagokat kiváltani képes, fenntartható, a természeteshez közel álló anyagot készíthetnének.

A kutatók arról számoltak be, hogy 60-90 százalék cellulóz-nanokristályt tartalmazó kompozit anyagot tudtak létrehozni, amely szilárdabb egyes csontoknál, és keményebb az átlagos alumíniumötvözeteknél. A kompozit anyag mikroszerkezete a gyöngyházéra hasonlító elrendeződésű.

Mind 3D nyomtatással, mind hagyományos öntéssel ki lehet alakítani a kívánt formát az anyagból, és a kísérletek során tesztelték is az így készített mintadarabokat. A kutatócsoport egyik tagja, A. John Hart professzor elmondta, hogy ezeknek a nagy terhelésű cellulóz-nanokristályoknak a segítségével „a polimer alapú anyagoknak olyan mechanikai tulajdonságokat adhatunk, amelyekkel nem rendelkeztek korábban”. A cél az, hogy a kőolaj alapú műanyagok egy részét e fenntartható, cellulóz alapanyagú kompozittal cseréljük le, bolygónk érdekében. A kutatók a Cellulose szakfolyóiratban számoltak be a fejlesztésekről.

Évente több mint tízmilliárd tonna cellulózt vonunk ki a különböző növényi részekből, jórészt a papír jellegű vagy textil termékek gyártásához, kis részben élelmiszer-adalékként vagy a kozmetikai ipar számára. Az elmúlt években terelődött a figyelem a cellulóz-nanokristályok felhasználása felé, ám eddig csak kis arányban tudták más anyagokkal elegyíteni ezeket, mivel hajlamos volt csomókba összeállni, és nem akart más polimerekkel kapcsolódni.

A kutatók most egy speciális, ultrahangos eljárással segítették elő a nanokristályok elegyedését, amelynek hatására olyan zselészerű anyag képződött, amelyet már akár a 3D nyomtatóba töltve, akár hagyományos öntéssel meg lehetett formázni. A kutatók ezzel gyakorlatilag erősebb formában újraépítették az előzetesen alkotóelemeire bontott faanyagot.

Az elkészült anyag mikroszkópos vizsgálatakor derült ki, hogy a kagylókban fejlődő gyöngyházra hasonlító szerkezetet vettek fel a nanokristályok, és ez a szerkezet például megakadályozza a mikrorepedések tovaterjedését, így ezek miatt nem válik törékennyé az anyag. A végeredmény egy, a klasszikus műanyagok és a fémek közt elhelyezkedő keménységű kompozit lett.

Egyelőre az egyetlen probléma az, hogy a száradása közben az anyag kissé zsugorodik, ha ezt sikerül megoldani, akkor nagy méretű tárgyakat is tudnak majd készíteni e kompozit anyagból. „Ha nagyot merünk álmodni, akkor a műanyagok jelentős részét lecserélhetjük cellulóz alapú kompozitokra” – tette hozzá Abhinav Rao, a kutatás vezetője.