Optical characteristics of cellulose nanofiber film stored for 5 years

Immaginate un mondo in cui la plastica che avvolge i nostri alimenti, gli schermi dei nostri dispositivi e i rivestimenti dei nostri edifici potessero essere sostituiti da qualcosa di coltivato dagli alberi. Questa è la promessa delle nanofibre di cellulosa, filamenti microscopici estratti dalle fibre vegetali che sono forti, flessibili e straordinariamente trasparenti. Gli scienziati sanno da tempo che, quando questi minuscoli filamenti vengono pressati in fogli sottili, possono lasciar passare la luce quasi come il vetro, rendendoli candidati ideali per tutto, dalle finestre a risparmio energetico ai display dei futi smartphone. Tuttavia, c'è un problema. Come tutti i materiali organici, questi fogli non sono immortali. Con il passare del tempo, i legami chimici che li tengono insieme possono indebolirsi e il materiale può iniziare a cambiare colore, diventando di un giallo spento e perdendo la sua trasparenza. Sebbene i ricercatori abbiano passato anni a simulare questo decadimento bombardando i campioni con calore intenso o luce artificiale per accelerare il processo, hanno raramente osservato cosa accada quando questi materiali restano semplicemente su uno scaffale in una stanza normale per anni.

Un team di ricercatori si è posto l'obiettivo di colmare questa lacuna osservando due diversi tipi di fogli di nanofibre mentre invecchiavano naturalmente per un periodo di cinque anni. Non hanno usato forni o lampade UV per forzare i cambiamenti; invece, hanno riposto i fogli in sacchetti di plastica in una stanza in Indonesia, permettendo loro di respirare la stessa aria, sentire la stessa umidità ed esperire lo stesso lento scorrere del tempo di qualsiasi oggetto in una casa o in un ufficio. I due materiali testati sono stati realizzati utilizzando metodi differenti. Un tipo, noto come cellulosa ossidata TEMPO, è stato trattato chimicamente per conferirgli un alto numero di cariche elettriche negative sulla superficie. L'altro, chiamato cellulosa a collisione contro contro-corrente acquosa, è stato lavorato utilizzando getti d'acqua ad alta pressione per separare le fibre senza aggiungere quelle stesse cariche chimiche. Confrontando questi due distinti tipi di fogli dopo cinque anni di tranquillo stoccaggio, i ricercatori speravano di capire come il modo specifico in cui un materiale viene fabbricato influenzi la sua sopravvivenza a lungo termine.

I risultati hanno rivelato che i due materiali non invecchiano allo stesso modo e le loro differenze sono state piuttosto sorprendenti. I fogli trattati chimicamente, che inizialmente erano i più trasparenti dei due, hanno iniziato a ingiallire visibilmente durante i cinque anni. Questo cambiamento di colore è stato abbastanza significativo da permettere ai ricercatori di misurare uno spostamento distinto verso una tonalità gialla, un segno che la struttura chimica si stava decomponendo e formando nuove molecole che assorbono la luce. Al contrario, i fogli lavorati con acqua sono rimasti molto più bianchi, mostrando solo un lievissimo cambiamento di colore. Ciò suggerisce che il trattamento chimico utilizzato per creare il primo tipo di foglio, pur essendo utile per renderlo inizialmente trasparente, potrebbe averlo reso più vulnerabile al lento processo di invecchiamento naturale. La natura acida dei gruppi chimici aggiunti durante la sua creazione ha probabilmente agito come un catalizzatore, accelerando la decomposizione delle fibre rispetto alla versione più neutra lavorata con acqua.

Oltre al colore, il modo in cui la luce si muove attraverso i fogli è cambiato in modi inaspettati. I fogli lavorati con acqua sono partiti come leggermente opachi, diffondendo la luce più dell'altro tipo. Dopo cinque anni, questa opacità è diminuita, rendendo i fogli più trasparenti, anche se la loro capacità di bloccare la luce è rimasta costante. I fogli trattati chimicamente, che erano già molto trasparenti, non sono diventati opachi, ma sono diventati significativamente più trasparenti alla luce visibile con l'invecchiamento, un risultato che sembra controintuitivo data la loro ingiallimento. I ricercatori hanno scoperto che il trattamento chimico ha causato la perdita di parte della capacità dei fogli di bloccare la luce, migliorando la loro chiarezza nello spettro visibile anche mentre diventavano gialli. Questo comportamento complesso evidenzia che l'invecchiamento non è un singolo processo di "peggioramento", ma una serie di diversi cambiamenti chimici e fisici che dipendono interamente dalla ricetta di partenza del materiale.

Lo studio ha anche esaminato la forza e la stabilità delle fibre. Quando testata per la resistenza al calore, la cellulosa trattata chimicamente ha iniziato a degradarsi a una temperatura inferiore rispetto a quella lavorata con acqua, e questo divario si è leggermente ampliato dopo i cinque anni di stoccaggio. Le fibre nei fogli trattati chimicamente hanno anche perso una quantità significativa della loro forza meccanica, diventando molto più fragili rispetto all'inizio. I fogli lavorati con acqua, invece, hanno mantenuto la loro forza e stabilità termica molto meglio, mostrando solo lievi cambiamenti. Ciò indica che, sebbene il trattamento chimico crei un materiale con eccellenti proprietà ottiche iniziali, può comportare un costo in termini di durabilità a lungo termine in un ambiente reale. Il materiale lavorato con acqua, pur essendo forse meno perfetto nella sua trasparenza iniziale, si è dimostrato il sopravvissuto più robusto nel lungo periodo.

In definitiva, questa osservazione di cinque anni fornisce un controllo di realtà cruciale per il futuro di questi materiali verdi. Dimostra che le condizioni che utilizziamo per testare i materiali in laboratorio — spesso coinvolgendo calore estremo o luce intensa — potrebbero non predire perfettamente come si comporteranno in una stanza silenziosa per diversi anni. Il processo di invecchiamento naturale è più lento e segue regole diverse, rivelando che la composizione chimica di un materiale determina non solo come appare quando è nuovo, ma come sopravvivrà al passare del tempo. Per ingegneri e designer che sperano di utilizzare questi film a base vegetale in tutto, dai pannelli solari alla confezione, la lezione è chiara: la scelta di come produrre la fibra è importante quanto la fibra stessa, e ciò che appare perfetto oggi può cambiare in modi che saranno visibili solo dopo anni di paziente attesa.