New Plant-Derived Sustainable ‘Plastic’ is Tough as Bone and Hard as Aluminum

MYTHE

La partie la plus solide d’un arbre ne réside pas dans son tronc ou ses racines tentaculaires, mais dans les parois de ses cellules microscopiques.

Une seule paroi cellulaire en bois est construite à partir de cellulose – les fibres polymères les plus abondantes de la nature et le principal composant structurel de toutes les plantes et algues. Dans chaque fibre se trouvent des nanocristaux de cellulose de renforcement, ou CNC, qui sont des chaînes de polymères organiques disposées en motifs cristallins presque parfaits. À l’échelle nanométrique, les CNC sont plus solides et plus rigides que le Kevlar. Si les cristaux pouvaient être transformés en matériaux en fractions importantes, les CNC pourraient être une voie vers des plastiques d’origine naturelle plus solides et plus durables.

Maintenant, une équipe du MIT a conçu un composite composé principalement de nanocristaux de cellulose mélangés à un peu de polymère synthétique. Les cristaux organiques occupent environ 60 à 90% du matériau – la fraction la plus élevée de CNC obtenue dans un composite à ce jour.

Les chercheurs ont découvert que le composite à base de cellulose est plus solide et plus résistant que certains types d’os, et plus dur que les alliages d’aluminium typiques. Le matériau a une microstructure de brique et de mortier qui ressemble à la nacre, la paroi intérieure dure de la coquille de certains mollusques.

L’équipe a trouvé une recette pour le composite à base de CNC qu’elle pourrait fabriquer en utilisant à la fois l’impression 3D et le moulage conventionnel. Ils ont imprimé et coulé le composite en morceaux de film de la taille d’un sou qu’ils ont utilisés pour tester la résistance et la dureté du matériau. Ils ont également usiné le composite en forme de dent pour montrer que le matériau pourrait un jour être utilisé pour fabriquer des implants dentaires à base de cellulose – et d’ailleurs, tous les produits en plastique – qui sont plus solides, plus résistants et plus durables.

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« En créant des composites avec des CNC à charge élevée, nous pouvons conférer aux matériaux à base de polymères des propriétés mécaniques qu’ils n’avaient jamais eues auparavant », explique A. John Hart, professeur de génie mécanique. “Si nous pouvons remplacer certains plastiques à base de pétrole par de la cellulose d’origine naturelle, c’est sans doute aussi mieux pour la planète.”

Liaisons gel

Chaque année, plus de 10 milliards de tonnes de cellulose sont synthétisées à partir d’écorces, de bois ou de feuilles de plantes. La majeure partie de cette cellulose est utilisée pour fabriquer du papier et des textiles, tandis qu’une partie est transformée en poudre pour être utilisée dans les épaississants alimentaires et les cosmétiques.

Ces dernières années, les scientifiques ont exploré les utilisations des nanocristaux de cellulose, qui peuvent être extraits des fibres de cellulose par hydrolyse acide. Les cristaux exceptionnellement résistants pourraient être utilisés comme renforts naturels dans les matériaux à base de polymères. Mais les chercheurs n’ont pu incorporer que de faibles fractions de CNC, car les cristaux ont eu tendance à s’agglutiner et à ne se lier que faiblement aux molécules de polymère.

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Hart et ses collègues ont cherché à développer un composite avec une fraction élevée de CNC, qu’ils pourraient façonner en formes solides et durables. Ils ont commencé par mélanger une solution de polymère synthétique avec de la poudre CNC disponible dans le commerce. L’équipe a déterminé le rapport de CNC et de polymère qui transformerait la solution en un gel, avec une consistance qui pourrait soit être alimentée par la buse d’une imprimante 3D, soit versée dans un moule pour être coulée. Ils ont utilisé une sonde à ultrasons pour briser les amas de cellulose dans le gel, ce qui rend plus probable que la cellulose dispersée forme des liaisons solides avec les molécules de polymère.

Ils ont introduit une partie du gel dans une imprimante 3D et ont versé le reste dans un moule à couler. Ils laissent ensuite sécher les échantillons imprimés. Au cours du processus, le matériau a rétréci, laissant derrière lui un composite solide composé principalement de nanocristaux de cellulose.

“Nous avons essentiellement déconstruit le bois et l’avons reconstruit”, explique Rao. “Nous avons pris les meilleurs composants du bois, à savoir les nanocristaux de cellulose, et les avons reconstruits pour obtenir un nouveau matériau composite.”

Fissures tenaces

Fait intéressant, lorsque l’équipe a examiné la structure du composite au microscope, elle a observé que les grains de cellulose se sont déposés dans un motif de brique et de mortier, similaire à l’architecture de la nacre. Dans la nacre, cette microstructure en zigzag empêche une fissure de traverser directement le matériau. Les chercheurs ont constaté que c’était également le cas avec leur nouveau composite de cellulose.

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Ils ont testé la résistance du matériau aux fissures, en utilisant des outils pour initier d’abord des fissures à l’échelle nanométrique puis microscopique. Ils ont découvert qu’à plusieurs échelles, la disposition des grains de cellulose du composite empêchait les fissures de fendre le matériau. Cette résistance à la déformation plastique confère au composite une dureté et une rigidité à la frontière entre les plastiques classiques et les métaux.

À l’avenir, l’équipe cherche des moyens de minimiser le rétrécissement des gels au fur et à mesure qu’ils sèchent. Bien que le rétrécissement ne soit pas vraiment un problème lors de l’impression de petits objets, tout ce qui est plus gros peut se déformer ou se fissurer lorsque le composite sèche.

“Si vous pouviez éviter le rétrécissement, vous pourriez continuer à augmenter, peut-être à l’échelle du mètre”, explique Rao. “Ensuite, si nous devions rêver grand, nous pourrions remplacer une fraction importante des plastiques par des composites cellulosiques.”

Les résultats de l’équipe de recherche sont publiés dans la revue Cellulose.

Source : MIT

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