Plástico de celulose é resistente como osso e duro como alumínio

Redação do Site Inovação Tecnológica - 15/02/2022

Dente impresso em 3D para demonstrar uma das possibilidades de uso do novo material.
[Imagem: John Hart/Abhinav Rao/MIT]

Nanocristais de celulose

Pesquisadores criaram um novo compósito à base de madeira que é tão duro quanto um osso humano e tão resistente quanto as melhores ligas de alumínio.

A expectativa é que esse material inaugure uma nova era de plásticos de origem biológica e renováveis.

A base do compósito são nanocristais de celulose, o polímero natural mais abundante e o principal componente estrutural de todas as plantas e algas.

A celulose pode ser induzida a formar nanocristais, quando suas cadeias orgânicas se estruturam em padrões quase perfeitos, imitando os cristais minerais. Em nanoescala, os nanocristais de celulose são mais fortes e mais rígidos do que o famoso Kevlar®. Por isso várias equipes estão tentando trazer suas vantagens para a escala macroscópica, usando-os para formar novos materiais que funcionarão como plásticos mais fortes, mais sustentáveis e de origem natural.

Plástico de celulose

Abhinav Rao e seus colegas do MIT não conseguiram se livrar totalmente dos polímeros sintéticos à base de petróleo, mas quando eles misturaram sua epóxi com nanocristais de celulose, eles conseguiram um compósito que tem entre 60 e 90% de cristais orgânicos, a mais alta fração de nanocristais de celulose já incorporada em um material até hoje.

Quando analisaram uma amostra com 63% de nanocristais de celulose em peso, o compósito apresentou uma dureza de 0,66 GPa e uma tenacidade à fratura de 5,2 MPa.

Isso é mais forte e mais resistente do que alguns tipos de ossos e mais duro do que as ligas de alumínio. Isso foi possível porque o material se organiza em uma microestrutura parecida com uma parede de tijolo e argamassa, lembrando o nácar, o revestimento interno duro da concha de alguns moluscos. No nácar, essa microestrutura em zigue-zague impede que uma rachadura se espalhe pelo material.

A estrutura do material à base de celulose lembra o também natural nácar.
[Imagem: Abhinav Rao et al. - 10.1007/s10570-021-04384-7]

Impressão 3D ou fundição

A equipe encontrou uma receita para o composto baseado em nanocristais de celulose que pode ser usado tanto em impressão 3D, como na fundição convencional, o que viabiliza a fabricação de estruturas de qualquer formato.

Para demonstrar isso, os pesquisadores imprimiram e moldaram o composto em pedaços de filme similares a uma moeda, que foram usados para testar a resistência e a dureza do material.

Eles também usinaram o compósito na forma de um dente, para mostrar que o material poderá um dia ser usado para fazer implantes dentários à base de celulose que sejam mais fortes, mais resistentes e mais sustentáveis.

"Criando compósitos com nanocristais de celulose em altos volumes, poderemos dar aos materiais à base de polímeros propriedades mecânicas que eles nunca tiveram antes," disse o professor John Hart. "Se pudermos substituir uma parte do plástico à base de petróleo por celulose derivada da natureza, isso também é melhor para o planeta."

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