Yapay selüloz liflerin, en güçlü biyo-esaslı malzeme olarak kabul edilen çelik ve örümcek ipeğinden daha güçlü olduğu iddia edilmektedir. Stockholm’deki KTH Kraliyet Teknoloji Enstitüsü’nden Daniel Söderberg liderliğindeki ekip, ACS Nano’daki çalışmaları bildirdi. Söderberg’in ekibi arasında Stanford Üniversitesi’nden bilim adamları, İsveç’in RISE enstitüsü, Michigan Üniversitesi ve Almanya’daki DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) var.

Ultra güçlü geri dönüşebilir malzeme odun ve diğer bitki yaşamının yapı taşları olan selüloz nanofibrelerinden (CNF) yapılır. Araştırmacılar yeni bir üretim yöntemi kullanarak bu nano elyafların mekanik özelliklerini gözle görülebilir hafif bir malzemeye aktardılar.

Söderberg, “Selülöz vücudunuz tarafından reddedilmediği için yeni materyalimiz biyomedikal potansiyeline de sahiptir.” dedi.

Bilim adamları, çapı iki ila beş nanometre olan ve 700 nm’ye kadar olan selüloz nano elyaflarla başlamışlardır. Nano elyaflar su içinde süspanse edilmiş ve 1 mm genişliğinde olan tırtıklı çelik kanala yerleştirdiler. İki çift dikey giriş ile ek bir deiyonize su ve düşük pH değeri olan su, kanallardan yanlara girerek, nanofibrelerin akışını bir araya getirerek hızlandırdılar.

Hidrodinamik odaklama, nanofiberlerin doğru yönde hizalanmasına yardımcı olur ve iyi organize edilmiş makroskopik iplik içine kendi kendine yerleşmesini kolaylaştırır. Hiçbir yapıştırıcı maddeye gerek duyulmamaktadır. Çünkü nano elyaflar, supramoleküler kuvvetler tarafından bir araya getirilen sıkı bir iplik haline getirilmiştir.

Bilim insanları, DESY’de üçüncü nesil bir synchrotron radyasyon kaynağı olan PETRA III’ü kullanarak süreci takip ettiler ve optimize ettiler.

DESY’den yazar Stephan Roth “X-ışınları, iplikçiğin oluşturduğu şekliyle, süper güçlü liflerdeki malzeme yapısı ve aşamalı sıralamanın ayrıntılı yapısını analiz etmemize izin veriyor,” dedi. “15 μm kalınlığa ve birkaç metre uzunluğa kadar iplikler yaptık”

Ölçümler malzeme için 86 GPa’lık bir gerilme rijitliği ve 1.57 GPa’lık bir gerilme mukavemeti gösterdi.

Söderberg, “Burada üretilen biyo-esaslı nanocellulose lifleri, sekiz kat daha serttir ve doğal örümcek ipek liflerinden daha güçlüdür” dedi. “Biyo bazlı bir malzeme arıyorsanız, buna benzer bir şey yoktur. Aynı zamanda çelikten ve diğer metallerden veya alaşımlardan ve ayrıca cam elyafı ve diğer sentetik malzemelerden daha güçlüdür.”

Yapay selüloz lifleri ile materyal oluşturmak için kumaş dokunabilir. Araştırmacılar, yeni biyomateryal üretim maliyetlerinin güçlü sentetik kumaşlarla rekabet edebileceğini tahmin ediyorlar.

Roth, “Yeni malzeme, prensip olarak geri dönüşebilir bileşenler oluşturmak için kullanılabilir” dedi.

Çalışma, doğanın selüloz nanofiberleri ahşapta olduğu gibi neredeyse mükemmel makro düzenlemeler içine biriktirme yeteneğini taklit eden yeni bir yöntemi anlatıyor. Nanofiberlerin gerilme mukavemetini ve mekanik yüke dayanma kabiliyetini korurken, daha büyük yapılar için kullanılabilecek nanofiber biyomateryal geliştirmenin yolunu açar.

Söderberg, “Artık süper performansı nano boyuttan makro ölçekli hale dönüştürebiliyoruz” dedi. “Bu keşif, parçacık boyutu, etkileşim, hizalama, yayılma, ağ oluşumu ve montajı gibi mükemmel nanoyapı için gerekli olan temel parametreleri anlayarak ve kontrol ederek mümkün hale geldi.”