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Material estructural sostenible como sustituto del plástico

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El plástico es una especie de material artificial ampliamente utilizado.

La invención del plástico nos dio un material ligero, fuerte y barato de usar, pero también nos trajo el apocalipsis plástico. Gran parte de los desechos plásticos no reciclados terminan en el océano, el último fregadero de la Tierra.

Triturado por las olas, la luz solar y los animales marinos, una sola bolsa de plástico se puede descomponer en 1,75 millones de fragmentos microscópicos, llamados micro plásticos.

Esos micro plásticos podrían terminar en tu sangre y cuerpo a través de los peces que comes o el agua que bebes.

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Durante la evolución a largo plazo de la mayoría de las plantas en la Tierra, los materiales a base de celulosa se han desarrollado como sus propios materiales de apoyo estructural.

La celulosa en las plantas existe principalmente en forma de nanofibras de celulosa (CNF), que tienen excelentes propiedades mecánicas y térmicas.

El CNF, que puede derivarse de plantas o producido por bacterias, es uno de los recursos totalmente verdes más abundantes en la Tierra.

El CNF es un bloque de construcción a nanoescala ideal para el armado de materiales macroscópicos de alto rendimiento, ya que tiene una mayor resistencia (2 GPa) y módulo (138 GPa) que el Kevlar y el acero, y un menor coeficiente de expansión térmica (0,1 ppm K-1) que el vidrio de sílice.

Basándose en este bloque de construcción bio-basado y biodegradable, la construcción de materiales estructurales sostenibles y de alto rendimiento promoverá en gran medida la sustitución del plástico y nos ayudará a evitar el apocalípsis del plástico.

El material estructural CNFP a granel, derivado de la nanofibra de celulosa y su caracterización. (a) Fotografía de CNFP de gran tamaño con un volumen de 320 x 220 x 27 mm3. (b) La robusta red de nanofibras 3D de CNFP. Numerosos CNF se entrelazan entre sí y se combinan mediante enlaces de hidrógeno. (c) Piezas con diferentes formas de CNFP producidas por una fresadora. (d) Diagrama de Ashby de expansión térmica frente a resistencia específica para CNFP en comparación con polímeros, metales y cerámicas típicos. (e) Diagrama de Ashby de expansión térmica versus resistencia de impacto específica para CNFP en comparación con polímeros, metales y cerámicas típicos. Copyright 2020, Asociación Americana para el Avance de la Ciencia. (Imagen: Shu-Hong Yu)

 

Hoy en día, un equipo liderado por el Profesor Shu-Hong Yu de la Universidad de Ciencia y Tecnología de China (USTC) informa de un material estructural sostenible de alto rendimiento, llamado placa de nanofibra de celulosa (CNFP) (Fig. 1a y c) que está construido a partir de CNF de base biológica (Fig. 1b) y está listo para reemplazar el plástico en muchos campos.

Este CNFP tiene una alta resistencia específica (~198 MPa/(Mg m3)), que es 4 veces mayor que la del acero y superior a la de la aleación tradicional de plástico y aluminio.

Además, el CNFP tiene una mayor resistencia específica al impacto (~67 kJ m-2/(Mg m3)) que la aleación de aluminio y sólo la mitad de su densidad (1,35 g cm³).

A diferencia del plástico u otros materiales a base de polímeros, CNFP exhibe una excelente resistencia a temperaturas extremas y a choques térmicos.

El coeficiente de expansión térmica de CNFP es inferior a 5 ppm K-1 de -120°C a 150°C, que es cercano a los materiales cerámicos y mucho menor que los polímeros y metales típicos.

Por otra parte, después de 10 veces de choque térmico rápido entre 120°C en un horno y -196 °C en nitrógeno líquido, CNFP conserva su resistencia.

Estos resultados muestran su excepcional estabilidad dimensional térmica, que permite a CNFP tener un gran potencial como material estructural bajo temperaturas extremas y refrigeración y calentamiento alternativos.

Debido a su amplia gama de materias primas y proceso de síntesis bio-asistidos, CNFP es un material de bajo costo, a un valor de sólo $0.5/kg, siendo menor que la mayoría del plástico.

Con su baja densidad, excelente resistencia y tenacidad, y gran estabilidad dimensional térmica, todas estas propiedades de CNFP superan a las de metales, cerámicas y polímeros tradicionales (Fig. 1d y e), lo que la convierte en una alternativa de alto rendimiento y respetuosa con el medio ambiente para los requisitos de ingeniería, especialmente para aplicaciones aeroespaciales.

CNFP no sólo tiene el poder de reemplazar el plástico y salvarnos de ahogarnos en ellos, sino que también tiene un gran potencial como la próxima generación de materiales estructurales sostenibles y ligeros.

Proporcionado por la Universidad de Ciencia y Tecnología de China [Nota: Los materiales pueden ser editados en su contenido y extensión].

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