Optical characteristics of cellulose nanofiber film stored for 5 years

Stel je een wereld voor waarin de plastic verpakkingen van ons voedsel, de schermen van onze apparaten en de coatings op onze gebouwen vervangen kunnen worden door iets dat uit bomen groeit. Dit is de belofte van cellulose-nanovezels, microscopische strengen die uit plantvezels worden getrokken die sterk, flexibel en opmerkelijk transparant zijn. Wetenschappers weten al lang dat wanneer deze minuscule vezels tot dunne vellen worden samengeperst, ze licht bijna net goed doorlaten als glas, wat ze ideale kandidaten maakt voor alles van energiebesparende ramen tot de displays van toekomstige smartphones. Er is echter een addertje onder het gras. Zoals alle organische materialen zijn deze vellen niet onsterfelijk. Na verloop van tijd kunnen de chemische verbindingen die hen bij elkaar houden verzwakken, en kan het materiaal van kleur beginnen te veranderen, waarbij het dof geel wordt en zijn helderheid verliest. Hoewel onderzoekers jarenlang hebben geprobeerd dit verval te simuleren door monsters te bestoken met intense hitte of kunstmatig zonlicht om het proces te versnellen, hebben ze zelden bekeken wat er gebeurt wanneer deze materialen simpelweg jarenlang op een plank staan in een normale kamer.

Een team van onderzoekers zette zich af om dit gat te vullen door twee verschillende soorten van deze nanofilms te observeren terwijl ze gedurende een periode van vijf jaar natuurlijk verouderden. Ze gebruikten geen ovens of UV-lampen om de veranderingen te forceren; in plaats daarvan plaatsten ze de vellen in plastic zakken in een kamer in Indonesië, waardoor ze dezelfde lucht konden inademen, dezelfde luchtvochtigheid konden voelen en dezelfde trage passage van de tijd konden ervaren als elk object in een huis of kantoor. De twee materialen die ze testten, werden op verschillende manieren vervaardigd. Eén type, bekend als TEMPO-geoxideerde cellulose, werd chemisch behandeld om het een hoog aantal negatieve elektrische ladingen op het oppervlak te geven. Het andere, genaamd aqueous counter collision cellulose, werd verwerkt met behulp van hogedrukwaterstralen om de vezels te scheiden zonder diezelfde chemische ladingen toe te voegen. Door deze twee verschillende soorten vellen na vijf jaar rustige opslag te vergelijken, hoopten de onderzoekers te begrijpen hoe de specifieke manier waarop een materiaal wordt gemaakt, de levensduur op lange termijn beïnvloedt.

De resultaten onthulden dat de twee materialen niet op dezelfde manier verouderden, en hun verschillen waren behoorlijk opvallend. De chemisch behandelde vellen, die van de twee de helderste begonnen, begonnen merkbaar te vergelen over de vijf jaar. Deze kleurverandering was aanzienlijk genoeg dat de onderzoekers een duidelijke verschuiving naar een gele tint konden meten, een teken dat de chemische structuur afbrak en nieuwe moleculen vormde die licht absorberen. In contrast hiermee bleven de met water verwerkte vellen veel witter en vertoonden ze slechts een zeer lichte kleurverandering. Dit suggereert dat de chemische behandeling die werd gebruikt om het eerste type vel te maken, hoewel nuttig was voor het aanvankelijk helder maken ervan, het wellicht kwetsbaarder heeft gemaakt voor het langzame, natuurlijke verouderingsproces. De zure aard van de chemische groepen die tijdens de creatie werden toegevoegd, fungeerde waarschijnlijk als een katalysator, waardoor de afbraak van de vezels versnelde in vergelijking met de meer neutrale, met water verwerkte versie.

Naast de kleur veranderde de manier waarop licht door de vellen bewoog op onverwachte manieren. De met water verwerkte vellen begonnen enigszijn deel troebel, waarbij ze licht meer verstrooiden dan het andere type. Na vijf jaar nam deze troebelheid af, waardoor de vellen helderder leken, ook al bleef hun vermogen om licht te blokkeren constant. De chemisch behandelde vellen, die al zeer helder waren, werden niet troebel, maar werden wel aanzienlijk transparanter voor zichtbaar licht naarmate ze verouderden, een resultaat dat tegenstrijdig lijkt gezien hun vergeling. De onderzoekers ontdekten dat de chemische behandeling ervoor zorgde dat de vellen een deel van hun vermogen om licht te blokkeren verloren, wat de helderheid in het zichtbare spectrum verbeterde, zelfs terwijl ze geel werden. Dit complexe gedrag benadrukt dat veroudering geen enkelvoudig proces van "slechter worden" is, maar een reeks verschillende chemische en fysieke verschuivingen die volledig afhangen van het startrecept van het materiaal.

De studie keek ook naar de sterkte en stabiliteit van de vezels. Bij het testen van de hittebestendigheid, begon de chemisch behandelde vellen af te breken bij een lagere temperatuur dan de met water verwerkte vellen, en deze kloof werd na vijf jaar opslag iets groter. De vezels in de chemisch behandelde vellen verloren ook een aanzienlijke hoeveelheid van hun mechanische sterkte, waardoor ze veel breekbaarder werden dan ze aan het begin waren. De met water verwerkte vellen behielden hun sterkte en thermische stabiliteit echter veel beter en vertoonden slechts minimale veranderingen. Dit geeft aan dat hoewel de chemische behandeling een materiaal creëert met uitstekende initiële optische eigenschappen, dit ten koste kan gaan van de duurzaamheid op lange termijn in een echte omgeving. Het met water verwerkte materiaal, hoewel misschien minder perfect in zijn initiële helderheid, bleek de meer robuuste overlever te zijn op de lange termijn.

Uiteindelijk biedt deze vijfjarige observatie een cruciale reality check voor de toekomst van deze groene materialen. Het laat zien dat de omstandigheden waarin we materialen in het lab testen — vaak met betrekking tot extreme hitte of intens licht — de manier waarop ze gedurende enkele jaren in een stille kamer zullen reageren, niet perfect kunnen voorspellen. Het natuurlijke verouderingsproces is langzamer en volgt andere regels, waarbij wordt onthuld dat de chemische samenstelling van een materiaal niet alleen bepaalt hoe het er nieuw uitziet, maar ook hoe het de tand des tijds zal doorstaan. Voor ingenieurs en ontwerpers die hopen deze plantaardige films te gebruiken in alles van zonnepanelen tot verpakkingen, is de les duidelijk: de keuze over hoe de vezel wordt gemaakt is net zo belangrijk als de vezel zelf, en wat er vandaag perfect uitziet, kan veranderen op manieren die pas zichtbaar zijn na jaren van geduldig wachten.