لابراتوار سازمان جنگلداری ایالات متحده آمریكا با بودجه‌ای معادل 7/1 میلیون دلار كارخانه‌ای آزمایشی برای تولید نانوكریستالهای سلولزی (CNC) از محصولات جانبی چوب مانند خاك اره و تراشه چوب احداث كرده است.
در صورتی كه نانوكریستالهای سلولزی بدرستی فرآوری شود به مراتب قوی‌تر و محكم‌تر از كولار یا همان الیاف‌های كربنی خواهد بود به طوری كه استفاده از نانوكریستالهای سلولزی در مواد كامپوزیت باعث استحكام بیشتر و وزن كمتر آنها می‌شود.
به علاوه هزینه تولید نانوكریستالهای كربنی 10 درصد كمتر از هزینه تولید الیاف كربن است. چنین مزایایی باعث جلب نظر ارتش و صنایع نظامی برای استفاده از این مواد جهت تولید زره‌پوش‌های سبك می‌شود.
علاوه بر صنایع نظامی دیگر صنایع نظیر اتومبیل‌سازی، هوا فضا، الكترونیك، محصولات مصرفی و صنایع پزشكی به استفاده از آن ترغیب خواهند شد.
سلولز فراوان‌ترین پلیمر‌زیستی موجود روی سیاره زمین است و در دیوارهای سلول گیاهی و سلول‌های باكتریایی یافت می‌شود.
الیاف سلولزی از زنجیره‌های طولانی ملكول‌های گلوكز تشكیل شده كه به صورت شبكه پیچیده‌ای قرار گرفته و علاوه بر تشكیل ساختار سلول‌های گیاهی از این ساختارحمایت می‌كند. منبع تجاری اولیه برای تامین سلولز چوب است.
چوب شبكه‌ای از الیاف‌های سلولزی بوده كه توسط لیگنین بهم چفت شده است. لیگنین، پلیمر طبیعی دیگری است كه براحتی قابل تخریب و حذف از ساختار چوب است.
خمیر چوب طی فرآیندهای مختلفی تولید می‌شود كه در همه این فرآیندها پلیمر لیگنین شكسته شده و پس از شستن الیاف سلولزی در آب دور ریخته می‌شود. یك نمونه الیاف سلولزی چوبی فقط ده‌ها میكرون پهنا و حدود یك میلی‌متر طول دارد.
سلولز موجود در خمیر چوب پس از خشك‌شدن به قوام مناسبی می‌رسد. لایه سلولز موجود در خمیر چوب دارای خواص مكانیكی شبیه به یك حوله كاغذی مرطوب است كه به نظر نمی‌رسد این ماده از استحكام مناسبی برخوردار باشد؛ اما این موضوع قابل حل است.
با انجام پرداخت‌های بیشتر می‌توان الیاف سلولز را شكسته و آن را به نانوالیاف‌های ریزی كه هزاران بار كوچك‌تر از الیاف سلولزی است، تبدیل كرد.
در این نانو الیاف ریز سلولز به شكل دسته‌ای از رشته‌های دراز بدون انشعاب و سه‌بعدی از ملكول‌های گلوكز درآمده كه توسط یك پیوند هیدروژنی به هم متصل است.
پیوند هیدروژنی بین ملكول‌های سلولز نسبتا محكم بوده و باعث افزایش قدرت و استحكام نانوكریستالهای سلولز می‌شود.
درون این نانوالیاف ریز فضاهایی وجود دارد كه در آنجا زنجیره‌های سلولز به موازات هم و به فاصله بسیار نزدیكی قرار گرفته است. معمولا در یك نانو الیاف ریز چند فضای اینچنینی وجود دارد كه توسط فضاهای نامنظم از یكدیگر جدا می‌شود.
این فضاهای نامنظم به وسیله یك اسید قوی از بین رفته و نانوكریستالهای بسیار محكم سلولزی به وجود می‌آید. در حال حاضر بازده فرآیند جداسازی نانوكریستالهای سلولزی از خمیر چوب حدود 30 درصد است.
در حال حاضر برنامه‌ای برای ارتقای این بازده جزئی طرح‌ریزی شده، اما عامل محدودكننده در این میان نسبت میزان كریستال‌ها به سلولز نامنظم در منابع است.
در این برنامه كوتاه‌مدت، هزینه جداسازی نانوكریستالهای سلولزی 10 دلار در هر كیلوگرم بوده، اما برای تولید در مقیاس بزرگ این میزان حدود یك تا دو دلار ترسیم شده است.
مقایسه استحكام و قدرت مواد شناخته‌شده‌ای مانند استیل، نانو تیوب‌های كربن، چوب بلوط، الیاف كربن و كولار 49 با نانوكریستالهای سلولزی نشان می‌دهد تنها استحكام نانوتیوب‌های كربن بیشتر از نانوكریستالهای سلولزی (CNC) بوده كه قیمت آن 100 برابر CNC است؛ البته مانند بسیاری از مواد CNC هم ماده كاملی نیست.
بزرگترین دشمن و عامل تخریب آن آب است؛ البته برای جلوگیری از ایجاد ساختار نامنظم در نتیجه رخنه‌كردن ملكول‌های آب بین ملكول‌های سلولز نیاز است كه كریستال‌های سلولزی در معرض آب 320 درجه سانتی‌گراد و فشار 250 اتمسفر قرار گیرند تا این نقیصه هم برطرف شود.
روش‌های مختلفی برای تبدیل‌كردن مواد كامپوزیت CNC به یك محصول با دوام در دنیای واقعی وجود دارد كه ساده‌ترین، اما محدودترین آنها استفاده از این مواد در جاهایی است كه در معرض آب نیستند.
روش دیگر تغییر شیمیایی سطح سلولزی این مواد به گونه‌ای است كه آب گریز بوده و جاذب آب نباشند. انجام این كار آسان بوده، اما ممكن است باعث تنزل قابل توجه خواص مكانیكی CNCها شود.
روش سوم تركیب CNCها با موادی است كه علاوه بر ایجاد یك رابط آبگریز، خواص مكانیكی آنها را هم حفظ كند.
شاید عملی‌ترین روش این است كه بسادگی مواد كامپوزیت CNC را با یك روكش ضد‌آب پوشاند تا آنها را از معرض نفوذ آب در امان نگهدارد.
می‌توان مطمئن بود كه در آینده برای استفاده از چنین مواد مستحكم و قوی شاهد نوآوری‌هایی خواهیم بود تا این نظریه‌ها را به عمل تبدیل كند.
منبع:gizmag
مترجم: آتنا حسن‌آبادی