Bio-materiales basados en nanotecnología para una sociedad verde

Fibras sintéticas son omnipresentes en la sociedad moderna y su fabricación representa una enorme y varios miles de millones de dólares la industria de todo el mundo. Las fibras sintéticas - fibras de carbono, nylon, poliéster, kevlar, spandex, etc - se fabrican a partir de combustibles fósiles, por lo general a partir de aceite, pero a veces a partir de carbón o gas natural. La mayoría de estos materiales no son biodegradables y, además de su huella de carbono significativos durante la producción, que plantean problemas ambientales, al final de su ciclo de vida.
Las fibras naturales, por otra parte, como la lana y el algodón, proceden de animales o vegetales fuentes renovables, pero por lo general carecen de las características de alto rendimiento de muchos de fibras sintéticas. Esto puede cambiar, ya que el nuevo campo de la bio-nanomateriales basados en promesas de entregar el medio ambiente, de alto rendimiento de bio-materiales de fibra que puede reemplazar algunos de los materiales sintéticos.
De celulosa, que es el compuesto orgánico más común en el planeta, es un componente estructural de las paredes celulares de muchas plantas. Su uso industrial es principalmente para la fabricación de papel y cartón, pero recientemente también ha atraído un considerable interés como fuente de producción de biocombustibles. Nanotecnología investigadores están interesados en ella, porque muy cristalina nanofibras de celulosa, abundante en los órganos naturales de la planta, tienen propiedades únicas y diferentes tamaños de nanofibras de síntesis. Estos científicos creen que las nanofibras de celulosa tienen un alto potencial para ser usado como transparente y extremadamente fuerte películas en muchas áreas diferentes. Esto podría llevar a ambientalmente compatible y de alto rendimiento de los componentes del embalaje.
"Debido a la presencia de numerosos puentes de hidrógeno entre las microfibrillas de celulosa en las paredes de células vegetales, no ha sido posible convertir nativos fibras de celulosa en dispersiones acuosas de cada uno de microfibras de celulosa sin un descenso significativo en la longitud microfibrilla y sin menoscabo de su potencial estructural", el Dr. Akira Isogai explica a Nanowerk. "Con nuestra técnica recientemente desarrollada, hemos sido capaces de obtener totalmente individualizado nanofibras de celulosa a partir de celulosa de madera, de 4-5 nm de ancho y por lo menos de unos pocos micrones de longitud."
Isogai, profesor en el Laboratorio de Celulosa, Papel y Celulosa Ciencia en el Departamento de Ciencias de Biomateriales de la Universidad de Tokio, junto con su equipo, han utilizado su base de celulosa para fabricar nanofibras de geles transparentes y capas delgadas que tienen muy alta de oxígeno capacidad de barrera (que, según Isogai, es un resultado realmente inesperado), la transparencia óptica, de alta resistencia y un muy bajo coeficiente de dilatación térmica, causada por alta cristalinidad de la celulosa de origen.
Los científicos publicaron sus resultados en el 4 de diciembre 2008 la edición en línea de Biomacromolecules ( "transparente y gas de alta barrera de Films de nanofibras de celulosa Preparado por TEMPO mediada por oxidación").
La técnica desarrollada por el equipo japonés se basa en la oxidación selectiva de los principales grupos hidroxilo en la fibrilla superficies anionically cargado a través de los grupos carboxilato TEMPO-oxidación de la celulosa, mediada nativas y la desintegración posterior leve en el agua. El bionanofibers resultante mantiene la cristalinidad y anchos de cristal de la madera original de la celulosa en alrededor de 75% y 3.4 nm, respectivamente.

Diagrama sistemático de la individualización de la nano-fibras de celulosa del tamaño de la planta mediante carboxilación de superficie directa, utilizando catalizador TEMPO. (Foto: Dr. Isogai / Universidad de Tokio)
Debido a que el TEMPO oxidado películas de nanofibras de celulosa había oxígeno muy alto, las propiedades de barrera, son materiales potencialmente muy interesante para los componentes de envases biodegradables y de alto rendimiento en las industrias farmacéutica y de alimentos.
Otros candidatos a utilizar el nuevo bio-nanofibras son panel de visualización flexible y componentes del dispositivo eléctrico (debido a la extremadamente bajo coeficiente de expansión térmica y la transparencia óptica de alta), los puntos fuertes de fibra de alta resistencia y el cine los materiales compuestos y componentes de cuidado de la salud.
Un problema que el equipo de Isogai de que se encontró fue una degradación gradual de la capacidad de las películas de barrera de oxígeno con el aumento de la humedad. A pesar de la permeabilidad al oxígeno del tempo-oxidado películas de nanofibras de celulosa en condiciones secas fue notablemente bajo, se hizo mayor cuando se mide a una humedad relativa de, por ejemplo, el 90%. Además, la permeabilidad al vapor de agua de las películas originales, que también es una de las propiedades importantes y necesarios para los componentes del embalaje, fue insuficiente en la actualidad debido a la naturaleza hidrofóbica de la TEMPO nanofibras de celulosa oxidada.
"Estamos ahora trabajando en el perfeccionamiento de nuestra elaboración, modificación y métodos de composición de la TEMPO nanofibras de celulosa oxidada para añadir resistencia a la humedad, el oxígeno de alta propiedades de barrera de humedad relativa alta, el vapor de agua, propiedades de barrera, y otras propiedades funcionales necesarios para la alta materiales de alta tecnología ", dice Isogai.
Un proyecto de la TEMPO nanofibras de celulosa oxidada, apoyada por el Gobierno japonés y en cooperación con las industrias Nippon Paper y Kao Corporation, ha estado en curso desde 2007. Su objetivo es el desarrollo de tecnologías compatibles y de alto rendimiento de los componentes del embalaje.
Isogai menciona que este proyecto, propuesto por su grupo, fue seleccionado como el mejor clasificado del Programa Challenge Nanotech por la Nueva Energía y Tecnología Industrial Organización de Desarrollo de Japón