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Optical characteristics of cellulose nanofiber film stored for 5 years

Este estudio investiga los efectos del envejecimiento natural de cinco años sobre las propiedades ópticas de dos películas de nanofibras de celulosa, revelando que las nanofibras de celulosa oxidadas con TEMPO (TOCNF) experimentan un amarillamiento significativo y una pérdida de opacidad, mientras que las nanofibras de celulosa de colisión de contraparte acuosa (ACC-CNF) muestran un amarillamiento mínimo pero una reducción de la turbidez, lo que indica mecanismos de degradación distintos entre los dos materiales.

Autores originales: Abdul Halim, Ainun Zulfikar, Azmi Alvian Gabriel, RM. Muhammad Nur Fauzan, Toshiharu Enomae

Publicado 2026-10-14

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CC BY 4.0

Autores originales: Abdul Halim, Ainun Zulfikar, Azmi Alvian Gabriel, RM. Muhammad Nur Fauzan, Toshiharu Enomae

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Imagina un mundo donde el envoltorio de plástico de nuestros alimentos, las pantallas de nuestros dispositivos y los recubrimientos de nuestros edificios pudieran ser reemplazados por algo cultivado a partir de árboles. Esta es la promesa de las nanofibras de celulosa, hebras microscópicas extraídas de fibras vegetales que son fuertes, flexibles y notablemente transparentes. Los científicos saben desde hace tiempo que, cuando estas diminutas fibras se prensan en láminas finas, pueden dejar pasar la luz casi tan bien como el vidrio, lo que las convierte en candidatas ideales para todo, desde ventanas de ahorro energético hasta las pantallas de los teléfonos inteligentes del futuro. Sin embargo, hay un inconveniente. Como todos los materiales orgánicos, estas láminas no son inmortales. Con el tiempo, los enlaces químicos que las mantienen unidas pueden debilitarse y el material puede empezar a cambiar de color, tornándose de un amarillo opaco y perdiendo su claridad. Si bien los investigadores han pasado años simulando este deterioro bombardeando las muestras con calor intenso o luz solar artificial para acelerar el proceso, rara vez han observado qué sucede cuando estos materiales simplemente se quedan en un estante en una habitación normal durante años.

Un equipo de investigadores se propuso llenar este vacío observando dos tipos diferentes de estas láminas de nanofibras mientras envejecían naturalmente durante un período de cinco años. No utilizaron hornos ni lámparas UV para forzar los cambios; en su lugar, colocaron las láminas en bolsas de plástico en una habitación en Indonesia, permitiéndoles respirar el mismo aire, sentir la misma humedad y experimentar el mismo paso lento del tiempo que cualquier objeto en un hogar u oficina. Los dos materiales que probaron se fabricaron utilizando métodos diferentes. Un tipo, conocido como celulosa oxidada con TEMPO, fue tratado químicamente para dotarlo de un alto número de cargas eléctricas negativas en su superficie. El otro, llamado celulosa de colisión de contraposición acuosa, fue procesado mediante chorros de agua a alta presión para separar las fibras sin añadir esas mismas cargas químicas. Al comparar estos dos tipos distintos de láminas después de cinco años de almacenamiento silencioso, los investigadores esperaban comprender cómo la forma específica en que se fabrica un material influye en su supervivencia a largo plazo.

Los resultados revelaron que los dos materiales no envejecieron de la misma manera, y sus diferencias fueron bastante sorprendentes. Las láminas tratadas químicamente, que empezaron siendo las más claras de las dos, comenzaron a amarillear notablemente a lo largo de los cinco años. Este cambio de color fue lo suficientemente significativo como para que los investigadores pudieran medir un cambio distintivo hacia un tono amarillento, una señal de que la estructura química se estaba descomponiendo y formando nuevas moléculas que absorben la luz. En contraste, las láminas procesadas con agua permanecieron mucho más blancas, mostrando solo un cambio de color muy leve. Esto sugiere que el tratamiento químico utilizado para crear el primer tipo de lámina, aunque útil para hacerla clara inicialmente, pudo haberla hecho más vulnerable al proceso de envejecimiento natural y lento. La naturaleza ácida de los grupos químicos añadidos durante su creación probablemente actuó como un catalizador, acelerando la descomposición de las fibras en comparación con la versión de agua más neutra.

Más allá del color, la forma en que la luz se movía a través de las láminas cambió de maneras inesperadas. Las láminas procesadas con agua empezaron siendo ligeramente turbias, dispersando la luz más que el otro tipo. Después de cinco años, esta turbidez disminuyó, haciendo que las láminas parecieran más claras, aun cuando su capacidad para bloquear la luz se mantuvo estable. Las láminas tratadas químicamente, que ya eran muy claras, no se volvieron turbias, pero sí se volvieron significativamente más transparentes a la luz visible a medida que envejecían, un resultado que parece contraintuitivo dada su coloración amarillenta. Los investigadores descubrieron que el tratamiento químico causó que las láminas perdieran parte de su capacidad para bloquear la luz, mejorando su claridad en el espectro visible a medida que envejecían. Este comportamiento complejo resalta que el envejecimiento no es un proceso único de "empeorar", sino una serie de diferentes cambios químicos y físicos que dependen enteramente de la receta inicial del material.

El estudio también analizó la resistencia y la estabilidad de las fibras. Al probar la resistencia al calor, las láminas tratadas químicamente comenzaron a descomponerse a una temperatura más baja que las procesadas con agua, y esta brecha se amplió ligeramente tras cinco años de almacenamiento. Las fibras en las láminas tratadas químicamente también perdieron una cantidad significativa de su fuerza mecánica, volviéndose mucho más frágiles de lo que eran al principio. Las láminas procesadas con agua, sin embargo, mantuvieron su fuerza y estabilidad térmica mucho mejor, mostrando solo cambios menores. Esto indica que, si bien el tratamiento químico crea un material con excelentes propiedades ópticas iniciales, puede tener como costo la durabilidad a largo plazo en un entorno del mundo real. El material procesado con agua, aunque quizás menos perfecto en su claridad inicial, demostró ser el superviviente más robusto a largo plazo.

En última instancia, esta observación de cinco años proporciona un control de realidad crucial para el futuro de estos materiales verdes. Muestra que las condiciones que utilizamos para probar materiales en el laboratorio —que a menudo implican calor extremo o luz intensa— pueden no predecir perfectamente cómo se comportarán en una habitación tranquila durante varios años. El proceso de envejecimiento natural es más lento y sigue reglas diferentes, revelando que la composición química de un material dicta no solo cómo se ve cuando es nuevo, sino cómo sobrevivirá al paso del tiempo. Para ingenieros y diseñadores que esperan utilizar estas películas de origen vegetal en todo, desde paneles solares hasta embalajes, la lección es clara: la elección de cómo fabricar la fibra es tan importante como la fibra misma, y lo que parece perfecto hoy puede cambiar de formas que solo serán visibles tras años de espera paciente.

Planteamiento del Problema
Las nanofibras de celulosa (CNF) son materiales prometedores para aplicaciones de recubrimiento óptico, ofreciendo beneficios en protección térmica, gestión de la iluminación y eficiencia energética para dispositivos como células solares y OLEDs. Sin embargo, su viabilidad a largo plazo se ve obstaculizada por la degradación a lo largo del tiempo, lo que conduce al deterioro de las propiedades ópticas como la transparencia y la estabilidad del color. Si bien investigaciones previas han utilizado extensamente métodos de envejecimiento acelerado (por ejemplo, temperaturas elevadas, irradiación UV) para estudiar la degradación, estos enfoques pueden no reflejar con precisión los cambios lentos y acumulativos que ocurren bajo condiciones normales de almacenamiento en interiores. Además, las investigaciones sistemáticas sobre el comportamiento de envejecimiento natural de diferentes tipos de CNF, específicamente respecto a la evolución de la apariencia y las propiedades ópticas a lo largo de varios años, siguen siendo escasas. Esta falta de datos dificulta la estimación precisa de la vida útil y la evaluación de la confiabilidad para aplicaciones ópticas prácticas.

Metodología
Este estudio investigó el comportamiento de envejecimiento natural a largo plazo de dos tipos distintos de películas de nanofibras de celulosa almacenadas a temperatura ambiente durante cinco años (octubre de 2019 a noviembre de 2024) en Surabaya, Indonesia. Las muestras se prepararon a partir de:

CNF oxidada con TEMPO (TOCNF): Caracterizada por un contenido de carboxilato de 1.3 mmol/g y un potencial zeta de -69.8 mV.
CNF de colisión de contra-colisión acuosa (ACC-CNF): Caracterizada por un potencial zeta de -33.5 mV.

Las películas se fundieron a partir de suspensiones al 1 % en peso, se secaron a 65 °C y se almacenaron en bolsas de plástico sin sellar para asegurar el contacto continuo con la temperatura ambiente, la humedad, el oxígeno y la luz, simulando condiciones del mundo real.

Las técnicas de caracterización incluyeron:

Estructura Química: Espectroscopía de Transformada de Fourier por Infrarrojo (FTIR) para analizar los grupos funcionales.
Cristalinidad: Difracción de Rayos X (XRD) para determinar los cambios en la cristalinidad.
Propiedades Ópticas: Espectrofotometría UV–Vis–NIR con una esfera de integración para medir la transmitancia total, la neblina o haze (a 550 nm) y la opacidad (transmitancia normalizada por espesor a 600 nm).
Análisis de Color: Espectrofotometría para medir los parámetros CIELAB ( $L^*, a^*, b^*$ ), calcular el Índice de Amarillamiento (YI) y determinar la diferencia de color total ( $\Delta E$ ).
Estabilidad Térmica: Termogravimetría-Análisis Térmico Diferencial (TG-DTA) para determinar las temperaturas de inicio y el residuo de carbonización.
Resistencia Mecánica: Pruebas de Zerospan para evaluar la resistencia de la fibra individual.

Resultados Clave
El estudio reveló mecanismos de degradación y resultados ópticos distintos para los dos tipos de CNF tras cinco años de envejecimiento natural:

Propiedades Ópticas:
- TOCNF: Exhibió un aumento significativo en el índice de amarillamiento y una marcada disminución en la opacidad (mejora de la transparencia por unidad de espesor), mientras que los valores de neblina (haze) se mantuvieron relativamente estables y bajos (<0.1%).
- ACC-CNF: Mostró solo un ligero aumento en el índice de amarillamiento y una opacidad relativamente estable. Sin embargo, experimentó una disminución sustancial en los valores de neblina (de 0.63% a 0.30%), indicando una reducción en la dispersión de la luz.
Cambios Químicos y Estructurales:
- FTIR: La TOCNF mostró casi ningún cambio en los grupos funcionales. En contraste, la ACC-CNF mostró un pico más agudo en el rango de 1000–1200 cm⁻¹ y la aparición de un ligero pico de carboxilato, lo que sugiere la oxidación de los grupos hidroxilo y la absorción de agua.
- Cristalinidad: Ambos tipos mostraron un aumento en la cristalinidad (TOCNF: 23.13% a 25.09%; ACC-CNF: 20.75% a 23.39%), atribuido a la degradación preferencial de la fase amorfa.
- Estabilidad Térmica: La TOCNF demostró una menor estabilidad térmica que la ACC-CNF. La temperatura de inicio para la TOCNF disminuyó de 222 °C a 216 °C, mientras que la ACC-CNF se mantuvo relativamente estable (307 °C a 305 °C). El residuo de carbonización para la TOCNF disminuyó de 29% a 23.5%.
Resistencia Mecánica:
- La prueba de Zerospan indicó que las fibras de TOCNF se degradaron más rápidamente, mostrando una disminución drástica en su resistencia. Las fibras de ACC-CNF mostraron solo una reducción de resistencia ligera y no significativa.
Color:
- Las películas de TOCNF se volvieron notablemente más amarillas (el YI aumentó significativamente), debido a que las propiedades ácidas de los grupos carboxilo aceleran la degradación y la formación de cromóforos. La ACC-CNF permaneció relativamente blanca con un cambio de color mínimo.

Significancia y Reivindicaciones
Los autores afirman que este estudio proporciona información crítica sobre la estabilidad a largo plazo de los materiales ópticos basados en CNF bajo condiciones ambientales realistas, contrastando con la cinética observada en los estudios de envejecimiento acelerado. Los resultados resaltan que el mecanismo de degradación depende altamente de la estructura química y el método de producción de la nanofibra:

La TOCNF es más susceptible a la degradación química (oxidación y formación de cromóforos) debido a su contenido de carboxilato, lo que conduce a un amarillamiento significativo y un debilitamiento mecánico, aunque su claridad óptica (opacidad) mejora ligeramente.
La ACC-CNF exhibe mayor estabilidad en el color y la resistencia mecánica, donde el envejecimiento afecta principalmente la dispersión de la luz (haze) en lugar de la absorción.

El artículo concluye que el tipo de nanofibra de celulosa influye fundamentalmente en los resultados del envejecimiento natural. Estos hallazgos son esenciales para evaluar la idoneidad de tipos específicos de CNF para aplicaciones de recubrimiento óptico sostenibles donde se requiere confiabilidad a largo plazo. El estudio subraya la importancia de los datos de envejecimiento natural para una estimación precisa de la vida útil, ya que los métodos de envejecimiento acelerado pueden no replicar completamente los cambios lentos y acumulativos del almacenamiento ambiental.

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