Enhancement in the yield and properties of cellulose nanocrystals by two- batch addition of ammonium persulfate

Il legno è un materiale complesso, un composito naturale dove lunghe e forti fibre di cellulosa sono tenute insieme da una sostanza appiccicosa, simile a una colla, chiamata lignina. Per rendere il legno utile per applicazioni tecnologiche avanzate, gli scienziati devono spesso isolare queste pure fibre di cellulosa e scomporle in strutture minuscole, simili ad aghi, note come nanocristalli di cellulosa. Queste aste microscopiche sono incredibilmente resistenti e leggere, il che le rende preziose per rinforzare le plastiche, creare l'elettronica flessibile o migliorare i materiali medici. Tuttavia, estrarle è difficile. Tradizionalmente, i chimici utilizzano acidi aggressivi per sciogliere la colla e separare le fibre, ma questo processo è pericoloso, produce rifiuti tossici e spesso distrugge la delicata struttura dei cristalli. Un'alternativa più delicata prevede l'uso di una sostanza chimica chiamata persolfato di ammonio, che agisce come un ossidante blando per scomporre i materiali cellulosici senza la necessità di acidi forti o della rimozione preventiva di altri componenti naturali. La sfida è stata che, sebbene questo metodo fosse più sicuro, storicamente è stato inefficiente, producendo meno cristalli e con forme e dimensioni inconsistenti.

Un team di ricercatori della Nanjing Forestry University si è posto l'obiettivo di risolvere questo problema di efficienza cambiando il modo in cui la sostanza chimica viene introdotta nella reazione. Invece di versare l'intera quantità di persolfato di ammonio nella polpa di legno all'inizio del processo, hanno sperimentato l'aggiunta in due fasi separate. Hanno scoperto che questo semplice aggiustamento nel tempo e nella quantità cambia fondamentalmente il modo in cui la sostanza chimica si decompone e interagisce con il legno. Aspettando quattro ore dopo la prima aggiunta prima di introdurre la seconda porzione, hanno creato un ambiente di reazione significativamente più efficace. Questo approccio in due fasi non ha solo velocizzato il processo; ha alterato la natura stessa dei cristalli che si stavano formando, risultando in una resa di materiale molto più elevata, più uniforme e più adatta a rinforzare altri materiali.

I ricercatori hanno scoperto che quando la sostanza chimica veniva aggiunta tutta in una volta, essa si decomponeva relativamente lentamente e le particelle reattive che creava tendevano a esaurirsi rapidamente o a reagire tra loro prima di poter penetrare completamente nelle fibre del legno. Dividendo l'aggiunta, sono riusciti a mantenere una concentrazione più costante ed efficace di queste particelle reattive durante l'intero processo di dieci ore. Ciò ha permesso alla sostanza chimica di lavorare in modo più efficiente, scomponendo il legno in nanocristalli a un ritmo molto più rapido. Il risultato è stato un aumento drammatico della quantità totale di materiale recuperato. Nel loro esperimento di maggior successo, la resa totale di nanocristalli è passata da circa il 42 percento a quasi il 58 percento, il che significa che è stata prodotta molta più materia utilizzabile dalla stessa quantità di polpa di legno di partenza.

Oltre a produrre più cristalli, il metodo in due fasi ha generato cristalli con caratteristiche fisiche superiori. I ricercatori hanno misurato la lunghezza e la larghezza dei singoli nanocristalli e hanno scoperto che il processo in due fasi creava aste sensibilmente più lunghe e sottili rispetto a quelle ottenute con il tradizionale metodo in un unico passaggio. Questo cambiamento di forma è fondamentale perché le aste più lunghe e sottili hanno un rapporto d'aspetto (aspect ratio) più elevato, che è una misura di quanto un oggetto sia slanciato rispetto alla sua larghezza. Nei casi migliori, la lunghezza dei cristalli è aumentata di oltre il 100 percento e il loro rapporto d'aspetto è migliorato di oltre il 140 percento. Inoltre, le dimensioni dei cristalli sono diventate molto più coerenti. Nel metodo tradizionale, i cristalli variavano enormemente in lunghezza e larghezza, ma il metodo in due fasi ha prodotto un lotto in cui quasi ogni cristallo era quasi identico per dimensioni. Questa uniformità è essenziale per le applicazioni industriali, poiché garantisce che il materiale finale si comporti in modo prevedibile.

Anche le proprietà chimiche di questi nuovi cristalli hanno mostrato promettenti miglioramenti. I cristalli hanno mantenuto un alto livello di stabilità termica, il che significa che possono resistere a temperature più elevate prima di degradarsi, un aspetto vitale se devono essere mescolati a plastiche che vengono fuse durante la produzione. Sebbene i cristalli ottenuti con il metodo in due fasi avessero un grado di ordine interno, o cristallinità, leggermente inferiore rispetto al metodo tradizionale, ciò non ne ha compromesso le prestazioni. In realtà, potrebbe averle aiutate. Quando i ricercatori hanno mescolato questi nuovi cristalli in una pellicola di alcol polivinilico, un tipo comune di plastica, i risultati sono stati sorprendenti. La pellicola è diventata significativamente più forte e rigida. Ancora più impressionante è stato il fatto che la pellicola sia diventata molto più resistente (tougher), ovvero capace di assorbire più energia prima di rompersi. I cristalli con le migliori prestazioni, quelli prodotti con il metodo in due fasi, hanno aumentato la resistenza della pellicola plastica di oltre il 70 percento e la sua tenacità di quasi l'80 percento, il tutto aggiungendo una concentrazione molto bassa, appena dell'uno percento.

Questo studio dimostra che il modo in cui una sostanza chimica viene aggiunta a una reazione può essere importante tanto quanto la sostanza stessa. Dividendo semplicemente l'aggiunta di persolfato di ammonio in due lotti, i ricercatori sono stati in grado di indurre la polpa di legno a cedere più materiale, con una migliore forma, dimensione e resistenza. Le scoperte suggeriscono che questo metodo potrebbe rendere la produzione di nanocristalli di cellulosa di alta qualità più efficiente ed economica, aprendo potenzialmente la strada a un uso più ampio di questi materiali sostenibili a base di legno in tutto, dagli imballaggi più resistenti ai dispositivi medici avanzati. Il lavoro conferma che un attento aggiustamento della tempistica di una reazione chimica può sbloccare miglioramenti significativi nella qualità e nella quantità del prodotto finale.