Nanocellulosematerialien durch Design | 2020

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Anonim

Cellulose-Nanokristalle sind eine Klasse von biologischen Materialien, die in zahlreichen natürlichen Systemen zu finden sind, insbesondere in Bäumen. Sie haben die Aufmerksamkeit der Forscher auf ihre extreme Festigkeit, Zähigkeit, ihr geringes Gewicht und ihre Elastizität gelenkt. Die Materialien sind so stark und zäh, dass viele Leute glauben, sie könnten Kevlar in ballistischen Westen und Kampfhelmen für das Militär ersetzen. Im Gegensatz zu ihrem Ausgangsmaterial (Holz) sind Cellulose-Nanokristalle transparent, was sie zu interessanten Kandidaten für Schutzbrillen, Fenster oder Displays macht.

Obwohl die Idee mit nanocellulosebasierten Materialien sehr aufregend ist, bleibt die Realität oft unbeachtet.

"Es ist schwierig, diese theoretischen Eigenschaften in Experimenten umzusetzen", sagte Sinan Keten von Northwestern Engineering. "Die Forscher werden Verbundwerkstoffe mit Nanocellulose herstellen und feststellen, dass sie nicht der Theorie entsprechen."

Keten, Assistenzprofessor für Maschinenbau, Bauingenieurwesen und Umwelttechnik an der McCormick School of Engineering der Northwestern University, und sein Team bringen die Welt einem materialspezifischen Ansatz zur Entwicklung von Nanokompositen mit Zellulose einen Schritt näher. Sie haben ein neuartiges mehrskaliges Berechnungsgerüst entwickelt, das erklärt, warum diese Experimente nicht das ideale Material liefern, und Lösungen zur Behebung dieser Mängel vorschlägt, insbesondere durch Modifizierung der Oberflächenchemie von Cellulose-Nanokristallen, um eine stärkere Wasserstoffbindung mit Polymeren zu erreichen.

Unterstützt vom Army Research Office und dem National Institute of Standards and Technology erscheint die Studie in der September-Ausgabe von Nano-Buchstaben . Xin Qin und Wenjie Xia, Doktoranden in Ketens Labor, sind Ko-Erstautoren der Arbeit. Robert Sinko, ein weiterer Absolvent in Ketens Labor, trug ebenfalls zum Studium bei.

Cellulose-Nanokristalle befinden sich in den Zellwänden von Holz und sind ein idealer Kandidat für Polymer-Nanokomposite - Materialien, bei denen eine synthetische Polymermatrix mit nanoskaligen Füllstoffpartikeln eingebettet ist. Nanokomposite werden üblicherweise aus synthetischen Füllstoffen wie Kieselsäure, Ton oder Ruß hergestellt und in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, die von Reifen bis zu Biomaterialien reichen.

"Cellulose-Nanokristalle sind eine attraktive Alternative, da sie von Natur aus bioverfügbar, erneuerbar, ungiftig und relativ kostengünstig sind", sagte Keten. "Und sie können leicht aus Zellstoff-Nebenprodukten der Papierindustrie gewonnen werden."

Probleme treten jedoch auf, wenn Forscher versuchen, die Nanocellulose-Füllstoffpartikel mit der Polymermatrix zu kombinieren. Das Gebiet hat kein Verständnis dafür, wie sich die Füllstoffmenge auf die Gesamteigenschaften des Verbundwerkstoffs sowie auf die Art der nanoskaligen Wechselwirkungen zwischen der Matrix und dem Füllstoff auswirkt.

Ketens Lösung verbessert dieses Verständnis, indem sie sich eher auf die Längenskalen der Materialien als auf die Art der Materialien selbst konzentriert. Wenn er versteht, welche Faktoren die Eigenschaften auf atomarer Ebene beeinflussen, kann sein Berechnungsansatz die Eigenschaften des Nanokomposits bei zunehmender Größe vorhersagen - bei minimalem Experimentierbedarf.

"Anstatt nur ein Material zu produzieren und es dann zu testen, um zu sehen, welche Eigenschaften es hat, stimmen wir die Konstruktionsparameter strategisch ab, um Materialien mit einer gezielten Eigenschaft zu entwickeln", sagte Sinko. "Wenn Sie Musik ausgleichen, können Sie durch Drehen der Regler die Bässe, Höhen usw. einstellen, um den gewünschten Klang zu erzielen.Beim Material-by-Design können wir ebenfalls die Knöpfe bestimmter Parameter drehen, um die resultierenden Eigenschaften anzupassen. "