Švedski tim istraživača predvođen Danielom Söderbergom iz KTH Royal Institute of Technology u Stockholmu proizveo je najjači biomaterijal ikada: umjetna, biorazgradiva celulozna vlakna jača od čelika, pa čak i od paukovih niti, koje obično smatramo najsnažnijim biomaterijalom. Izvješće o rezultatima svojega rada objavili su prije par dana u ACS Nano, časopisu American Chemical Society.

Hidrodinamičko fokusiranje

Ultrajaki materijal izrađen je od celuloznih nanovlakana (CNF), temeljnih građevnih elemenata drva i sličnih biljnih struktura. Koristeći novu metodu proizvodnje, istraživači su uspješno prenijeli jedinstvena mehanička svojstva tih nanovlakana na makroskopski, lagani materijal koji se može koristiti kao ekološki prihvatljiva alternativa za plastiku u zrakoplovima, automobilima, građevinskom materijalu i drugim proizvodima. "Naš novi materijal ima i potencijal za korištenje u biomedicini, jer tijelo ne odbacuje celulozu", ističe Söderberg.

Kao početnu sirovinu koristili su komercijalno dostupna, jeftina celulozna nanovlakna promjera samo 2 do 5 nanometara i dužine do 700 nanometara. Podsjetimo se: nanometar (nm) je milijunti dio milimetra! Nanovlakna se gusto suspendiraju u običnoj vodi i pod tlakom protiskuju kroz uski čelični kanal promjera jedan milimetar. Istovremeno se s dvaju bočnih strana u kanal ubrizgavaju deionizirana voda i voda s niskom pH-vrijednošću, pri čemu se protok nanovlakana još više sužava i ubrzava.

Ovaj proces, nazvan hidrodinamičko fokusiranje, usmjerava sva nanovlakna u jednom zajedničkom smjeru, organizirano ih slažući u neprekidnu dugačku makroskopsku nit, dugačak konac „napakiran“ paralelnim nanovlaknima. Pritom se ne koriste nikakva ljepila ni bilo koje druge vezivne komponente, jer se stlačena paralelna nanovlakna uzajamno čvrsto povezuju molekularnim silama: elektrostatskim i Van der Waalsovim.

Visoke fizikalne performanse

Proizvodnju, građu i fizikalna svojstva ultrajake celulozne niti znanstvenici su nadzirali i optimizirali korištenjem sinkrotronskog sustava PETRA-III, najsnažnijeg komercijalno dostupnog izvora difrakcijskih X-zraka. Visokoenergetske rendgenske (X-zrake) omogućuju detaljnu analizu strukture konca tijekom samog procesa proizvodnje, kao i proučavanje hijerarhijskog poretka nanovlakana u ultrajakim makroskopskim vlaknima", objašnjava koautor istraživanja Stephan Roth, voditelj DESY Beamline P03, odjela za mikro- i nano-fokusirano rendgensko zračenje, u kojem su niti proizvedene. "Izradili smo niti dugačke nekoliko metara, a promjera do 15 mikrometara."

Mjerenja fizikalnih svojstava niti pokazala su tlačnu tvrdoću od 86 gigapaskala (GPa) i vlačnu čvrstoću od 1,57 GPa. "Bio-nanocelulozna vlakna koja smo proizveli su osam puta čvršća i snažnija od do sada najsnažnijih prirodnih vlakana – paučine", kaže Söderberg. "Među do sada poznatim materijalima biološkog porijekla ne postoji nijedan nalik ovome. Jači je i od čelika i bilo kojeg drugog metala ili legure, kao i od staklenih vlakana i od većine sintetičkih materijala."

Primjenjivost na drugim nanomaterijalima

Od umjetnih celuloznih ultravlakana može se tkati biorazgradiva utračvrsta tkanina za različite tehnološke primjene. Istraživači navode da bi se troškovi komercijalne proizvodnje ovog ultramaterijala mogli tržišno usporediti sa sintetičkim tkaninama, uz komparativnu prednost zbog svoje biorazgradivosti, za razliku od većine sintetičkih materijala koji to svojstvo nemaju.

Štoviše, istraživači najavljuju kako ovaj inovativni tehnološki proces pomoću kojega se od „rinfuznih“ mikroskopskih celuloznih nanovlakana može proizvesti makroskopsko vlakno u čijoj strukturi je postignuta strogo uređena „organizacija“ i „hijerarhija", također može biti korišten za kontrolirano „sklapanje“ karbonskih nanocijevi i ostalih nanomaterijala u veće, organiziranije mikro- i makrostrukture.

Dr. Igor „Doc“ Berecki, rođen 1961., pedijatar je na Odjelu intenzivnog liječenja djece Klinike za pedijatriju KBC Osijek. Od posla se opušta antistresnim aktivnostima: od pisanja svojevremeno popularnih tekstova i ilustracija u tiskanom izdanju časopisa BUG, crtkanja grafika i dizajna, zbrinjavanja pasa i mačaka, te fejsbučkog blogiranja o craft-pivima, životnim neistinama i medicinskim trivijama, sve do pasioniranog kuhanja posve probavljivih jela i sviranja slabo probavljivog bluesa.