La parte más fuerte de un árbol no se encuentra en su tronco o sus raíces en expansión, sino en las paredes de sus células microscópicas.
Ahora, un equipo del MIT ha diseñado un compuesto hecho principalmente de nanocristales de celulosa mezclados con un poco de polímero sintético, que se perfila como un sustituto del aluminio. Los cristales orgánicos ocupan alrededor del 60 al 90 por ciento del material, la fracción más alta de CNC lograda en un compuesto hasta la fecha.
Una alternativa vegetal para el plástico
Los investigadores encontraron que el compuesto a base de celulosa es más fuerte y resistente que algunos tipos de hueso, y más duro que las aleaciones de aluminio típicas. El material tiene una microestructura de ladrillo y mortero que se asemeja al nácar, el revestimiento duro de la concha interna de algunos moluscos.
El equipo encontró una receta para el compuesto basado en CNC que podrían fabricar utilizando tanto la impresión 3D como la fundición convencional. Imprimieron y fundieron el compuesto en piezas de película del tamaño de un centavo que utilizaron para probar la resistencia y dureza del material. También mecanizaron el compuesto en forma de diente para mostrar que el material podría algún día usarse para hacer implantes dentales a base de celulosa, y para el caso, cualquier producto de plástico, que sea más fuerte, más resistente y más sostenible.
«Al crear compuestos con CNC a alta carga, podemos dar a los materiales basados en polímeros propiedades mecánicas que nunca antes habían tenido», comentó al MIT A. John Hart, profesor de ingeniería mecánica. «Si podemos reemplazar algo de plástico a base de petróleo con celulosa de origen natural, podría decirse que también es mejor para el planeta».
Curiosamente, cuando el equipo examinó la estructura del compuesto bajo un microscopio, observaron que los granos de celulosa se asentaron en un patrón de ladrillo y mortero, similar a la arquitectura del nácar. En el nácar, esta microestructura en zigzag evita que una grieta corra directamente a través del material. Los investigadores encontraron que este también es el caso con su nuevo compuesto de celulosa.
Probaron la resistencia del material a las grietas, utilizando herramientas para iniciar primero grietas a nano y luego a microescala. Descubrieron que, a través de múltiples escalas, la disposición del compuesto de granos de celulosa evitaba que las grietas dividieran el material. Esta resistencia a la deformación plástica le da al compuesto una dureza y rigidez en el límite entre los plásticos convencionales y los metales.
En el futuro, el equipo está buscando formas de minimizar la contracción de los geles a medida que se secan. Si bien la contracción no es un gran problema al imprimir objetos pequeños, cualquier cosa más grande podría doblarse o agrietarse a medida que el compuesto se seca.
«Si pudieras evitar la contracción, podrías seguir escalando, tal vez a la escala de metros», dice Rao. «Entonces, si tuviéramos que soñar en grande, podríamos reemplazar una fracción significativa de plásticos, con compuestos de celulosa».