Het sterkste biomateriaal ooit is onlangs gemaakt door Zweedse, Amerikaanse en Duitse onderzoekers; het bestaat uit cellulose, beter gezegd uit zorgvuldig in één richting naast elkaar gelegde cellulose nanofibrillen (CNFs). Het materiaal is sterker dan staal, en zelfs sterker dan spinnenzijde, tot voor kort beschouwd als het sterkste biomateriaal.
Vanderwaalskrachten
Het team onder leiding van Nitesh Mittal publiceerde onlangs zijn bevindingen in het blad ACS Nano. Het materiaal dat zij hebben ontwikkeld is niet alleen sterk, maar ook licht van gewicht, zodat het in de toekomst misschien bruikbaar is als vervanging van metaal en plastic in producten als vliegtuigen, auto’s en meubelen; en omdat het niet door het lichaam wordt afgestoten, zijn er misschien ook nog biomedische toepassingen. Het basismateriaal bestaat uit cellulose nanovezels van slechts 2 tot 5 nanometer dik en ca. 700 nanometer lang (een nanometer is een miljoenste millimeter). De in water zwevende nanovezels worden door een kanaaltje van 1 millimeter dik geperst, en één kant op gericht door slimme toevoer van zuiver, en van licht zuur water. De zo dicht opeengepakte vezels klitten aan elkaar door Vanderwaalskrachten, die op nanoschaal van invloed zijn op het gedrag van deeltjes. Op deze manier hebben de onderzoekers draden gesponnen van tot 15 micrometer dik en ettelijke meters lengte, aldus onderzoeker Stephan Roth. Het proces konden de onderzoekers volgen in de röntgenapparatuur van het Duitse instituut DESY, waarbij ze precies konden zien hoe de draden zich vormden.
Natuurlijk moet er nog veel ontwikkelingswerk worden verricht voordat het nog naamloze materiaal op de markt komt. Maar als industriële productie lukt, liggen er vele toepassingen in het verschiet. Het materiaal is achtmaal zo stijf als spinnenzijde en heeft een enkele malen grotere trekkracht. Het kan geweven worden, en zo verwerkt worden tot stoffen met unieke eigenschappen, materialen sterker dan glasvezelcomposieten of staaldraden. De onderzoekers schatten dat de kosten vergelijkbaar zullen zijn met die van andere sterke synthetische stoffen. Bovendien blijft dit sterkste biomateriaal biologisch afbreekbaar, aangezien het alleen bestaat uit cellulose. ‘Wij kunnen nu de fantastische prestaties van de nanokosmos overdragen op de macrokosmos,’ zegt onderzoeker Söderberg. ‘Wij hebben in dit proces geleerd hoe we het vormen van nanostructuren kunnen beheersen, met parameters als deeltjesgrootte, wisselwerkingen, oriëntatie, opbouw en netwerkvorming.’ Het proces kan bijvoorbeeld ook worden gebruikt voor het maken van structuren uit koolstof nanovezels.
Sterkste biomateriaal ooit
‘Wij hebben milieuvriendelijke en energiezuinige technologieën nodig om lichtgewicht materialen te maken uit groene grondstoffen,’ zeggen de auteurs in ACSNano. ‘De natuur heeft in de evolutie hoogwaardige bouwstenen ontwikkeld, goed geordend op nano- en moleculair niveau. Onderzoekers hebben de laatste tijd geprobeerd deze bouwwijzen te imiteren in wat zij noemen ‘bouw geïnspireerd door de natuur’…. Maar in de natuur worden krachten op niet-ideale wijze overgedragen van de macro- naar de nanoschaal, waardoor de sterke mechanische eigenschappen van de nano-elementen niet goed worden benut. Elementen sluiten niet goed op elkaar aan of kleven niet goed, waardoor op de schaal van menselijke technologie de prestaties van natuurlijke materialen beperkt zijn…. Met onze inzichten in het gedrag van nanovezels in stromend water konden wij ze verzamelen in dichte vezels op macroschaal; door goede controle van de omstandigheden konden wij de problemen oplossen van de overdracht van nano-eigenschappen op macro-eigenschappen.’ Als de opschaling van deze processen gaat lukken, liggen er vele toepassingen voor dit sterkste biomateriaal ooit in het verschiet.
En, voor wie meer geïnteresseerd is in de commerciële vooruitzichten van nanocellulose: Biofuels Digest, de site met dagelijks biobased nieuws, publiceerde net vorige week een Guide to Nanocellulose.
Interessant? Lees dan ook:
Houtvezels sterker dan staal
Cellulose nanofibrillen maken biobased 3D printen mogelijk
Genetisch aangepast spinrag