Cientistas criam ‘plástico’ sustentável derivado de planta tão resistente quanto os ossos e duro como alumínio

A parte mais forte de uma árvore não está em seu tronco ou em suas raízes, mas nas paredes que formam suas células microscópicas.

A parede celular da madeira é constituída a partir de fibras de celulose – o polímero mais abundante da natureza e o principal componente estrutural de todas as plantas e algas.

Dentro de cada fibra estão nanocristais de celulose, que são cadeias de polímeros orgânicos dispostos em padrões de cristal quase perfeitos. Em nanoescala, eles são mais fortes e rígidos que a Kevlar, uma fibra sintética extremamente resistente.

Se os cristais pudessem ser transformados em materiais com tamanho visível, eles seriam um caminho para a fabricação de “plásticos” mais fortes, sustentáveis ​​e de origem natural.

A boa notícia é que isso agora é possível!

Uma equipe de cientistas do MIT projetou um composto feito principalmente de nanocristais de celulose misturados com um pouco de polímero sintético.

Os pesquisadores descobriram que o compósito à base de celulose é mais forte e mais resistente do que alguns tipos de osso e mais duro do que as ligas de alumínio típicas. O material tem uma microestrutura semelhante ao tijolo e a argamassa que lembra o nácar, o revestimento interno da casca dura de alguns moluscos.

Em um estudo divulgado publicamente, a equipe encontrou uma “receita” para o composto baseado em cadeias de polímeros orgânicos (CNC, da sigla em inglês) que eles poderiam fabricar usando impressão 3D e fundição convencional.

Os cientistas imprimiram e moldaram o composto em pedaços de filme do tamanho de uma moeda que usaram para testar a resistência e a dureza do material.

Eles também usinaram o compósito na forma de um dente para mostrar que o material pode um dia ser usado para fazer implantes dentários à base de celulose – e, nesse caso, qualquer produto plástico – que são mais fortes, mais resistentes e mais sustentáveis.

“Ao criar compósitos com CNCs de alta carga, podemos dar aos materiais à base de polímeros propriedades mecânicas que nunca tiveram antes”, diz A. John Hart, professor de engenharia mecânica do MIT. “Se pudermos substituir algum plástico à base de petróleo por celulose derivada naturalmente, isso também é melhor para o planeta.”

Ligações de gel

A cada ano, mais de 10 bilhões de toneladas de celulose são sintetizadas a partir da casca, madeira ou folhas de plantas. A maior parte dessa celulose é usada na fabricação de papel e têxteis, enquanto uma parte dela é transformada em pó para uso em espessantes de alimentos e cosméticos.

Nos últimos anos, os cientistas exploraram os usos dos nanocristais de celulose, que podem ser extraídos das fibras de celulose por meio de hidrólise ácida. Os cristais excepcionalmente fortes podem ser usados ​​como reforços naturais em materiais à base de polímeros. Mas os pesquisadores só conseguiram incorporar frações baixas de CNCs, já que os cristais tendem a se aglomerar e se ligar apenas fracamente às moléculas do polímero.

Hart e seus colegas procuraram desenvolver um composto com uma alta fração de CNCs, que pudessem moldar em formas fortes e duráveis. Eles começaram misturando uma solução de polímero sintético com pó CNC comercialmente disponível.

A equipe determinou a proporção de CNC e polímero que transformaria a solução em um gel, com uma consistência que poderia ser alimentada pelo bico de uma impressora 3D ou despejada em um molde para ser moldado. Eles usaram uma sonda ultrassônica para quebrar quaisquer aglomerados de celulose no gel, tornando mais provável que a celulose dispersa formasse fortes ligações com moléculas de polímero.

Eles alimentaram um pouco do gel através de uma impressora 3D e despejaram o resto em um molde. Eles então deixam as amostras impressas secarem. No processo, o material encolheu, deixando para trás um compósito sólido composto principalmente de nanocristais de celulose.

“Basicamente desconstruímos a madeira e a reconstruímos”, diz Rao. “Pegamos os melhores componentes da madeira, que são os nanocristais de celulose, e os reconstruímos para obter um novo material compósito.”

Extremamente resistente

Curiosamente, quando a equipe examinou a estrutura do compósito ao microscópio, eles observaram que os grãos de celulose se estabeleceram em um padrão de tijolo e argamassa, semelhante à arquitetura do nácar. No nácar, essa microestrutura em ziguezague impede que uma rachadura percorra diretamente o material. Os pesquisadores descobriram que isso também acontece com seu novo composto de celulose.

Eles testaram a resistência do material a rachaduras, usando ferramentas para iniciar primeiro rachaduras em nanoescala e depois em microescala. Eles descobriram que, em várias escalas, o arranjo de grãos de celulose do compósito impedia que as rachaduras dividissem o material. Esta resistência à deformação plástica confere ao compósito uma dureza e rigidez na fronteira entre os plásticos convencionais e os metais.

No futuro, a equipe está procurando maneiras de minimizar o encolhimento dos géis à medida que secam. Embora o encolhimento não seja um grande problema ao imprimir objetos pequenos, qualquer coisa maior pode empenar ou rachar à medida que o composto seca.

“Se nós conseguirmos evitar o encolhimento, podemos desenvolver produtos maiores, talvez até a escala do metro”, diz Rao. “Então, estamos sonhando alto, visando substituir uma fração significativa dos plásticos por compósitos de celulose, sustentáveis e bem menos agressivos ao meio ambiente”, concluiu.

Fonte: MIT
Fotos: Reprodução / MIT

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