Bagian terkuat dari pohon tidak terletak pada batangnya atau akarnya yang luas, tetapi pada dinding sel mikroskopisnya.
Dinding sel kayu tunggal dibangun dari serat selulosa—polimer alam yang paling melimpah, dan komponen struktural utama dari semua tanaman dan ganggang. Di dalam setiap serat terdapat kristal nano selulosa, atau CNC, yang merupakan rantai polimer organik yang tersusun dalam pola kristal yang hampir sempurna. Pada skala nano, CNC lebih kuat dan kaku daripada Kevlar. Jika kristal dapat diolah menjadi bahan dalam fraksi yang signifikan, CNC dapat menjadi jalan menuju plastik yang lebih kuat, lebih berkelanjutan, dan berasal dari alam.
Sekarang, tim MIT telah merekayasa komposit yang sebagian besar terbuat dari nanokristal selulosa yang dicampur dengan sedikit polimer sintetis. Kristal organik mengambil sekitar 60 hingga 90 persen material—fraksi tertinggi dari CNC yang dicapai dalam komposit hingga saat ini.
Para peneliti menemukan komposit berbasis selulosa lebih kuat dan lebih keras daripada beberapa jenis tulang, dan lebih keras dari paduan aluminium biasa. Bahannya memiliki mikrostruktur bata-dan-mortir yang menyerupai nacre, lapisan kulit dalam yang keras dari beberapa moluska.
Tim menemukan resep untuk komposit berbasis CNC yang dapat mereka buat menggunakan pencetakan 3D dan pengecoran konvensional. Mereka mencetak dan mencetak komposit menjadi potongan-potongan film berukuran sen yang mereka gunakan untuk menguji kekuatan dan kekerasan material. Mereka juga mengolah komposit menjadi bentuk gigi untuk menunjukkan bahwa bahan tersebut suatu hari nanti dapat digunakan untuk membuat implan gigi berbasis selulosa—dan dalam hal ini, produk plastik apa pun—yang lebih kuat, lebih keras, dan lebih berkelanjutan.
LAGI: Panel Surya Dibangun Dari Limbah Tanaman Dapat Menghasilkan Energi Tanpa Cahaya Langsung
“Dengan membuat komposit dengan CNC pada beban tinggi, kami dapat memberikan sifat mekanik material berbasis polimer yang belum pernah mereka miliki sebelumnya,” kata A. John Hart, profesor teknik mesin. “Jika kita dapat mengganti beberapa plastik berbasis minyak bumi dengan selulosa yang diturunkan secara alami, itu bisa dibilang lebih baik untuk planet ini juga.”
ikatan gel
Setiap tahun, lebih dari 10 miliar ton selulosa disintesis dari kulit kayu, kayu, atau daun tanaman. Sebagian besar selulosa ini digunakan untuk pembuatan kertas dan tekstil, sementara sebagian lainnya diproses menjadi bubuk untuk digunakan dalam pengental makanan dan kosmetik.
Dalam beberapa tahun terakhir, para ilmuwan telah mengeksplorasi penggunaan nanokristal selulosa, yang dapat diekstraksi dari serat selulosa melalui hidrolisis asam. Kristal yang sangat kuat dapat digunakan sebagai penguat alami dalam bahan berbasis polimer. Tetapi para peneliti hanya mampu menggabungkan fraksi rendah dari CNC, karena kristal cenderung menggumpal dan hanya berikatan lemah dengan molekul polimer.
LIHAT: 75% Orang di Seluruh Dunia Ingin Plastik Sekali Pakai Dilarang, Menurut Survei Global Baru
Hart dan rekan-rekannya berusaha mengembangkan komposit dengan fraksi CNC yang tinggi, yang dapat dibentuk menjadi bentuk yang kuat dan tahan lama. Mereka mulai dengan mencampur larutan polimer sintetis dengan bubuk CNC yang tersedia secara komersial. Tim menentukan rasio CNC dan polimer yang akan mengubah larutan menjadi gel, dengan konsistensi yang dapat dimasukkan melalui nozzle printer 3-D atau dituangkan ke dalam cetakan untuk dicetak. Mereka menggunakan probe ultrasonik untuk memecah gumpalan selulosa dalam gel, membuatnya lebih mungkin untuk selulosa terdispersi untuk membentuk ikatan yang kuat dengan molekul polimer.
Mereka memasukkan beberapa gel melalui printer 3-D dan menuangkan sisanya ke dalam cetakan untuk dicetak. Mereka kemudian membiarkan sampel yang dicetak mengering. Dalam prosesnya, material menyusut, meninggalkan komposit padat yang sebagian besar terdiri dari nanokristal selulosa.
“Kami pada dasarnya mendekonstruksi kayu, dan merekonstruksinya,” kata Rao. “Kami mengambil komponen kayu terbaik, yaitu nanokristal selulosa, dan merekonstruksinya untuk mendapatkan material komposit baru.”
Retak keras
Menariknya, ketika tim memeriksa struktur komposit di bawah mikroskop, mereka mengamati bahwa butiran selulosa menetap menjadi pola bata-dan-mortir, mirip dengan arsitektur nacre. Di nacre, struktur mikro zig-zag ini menghentikan retakan agar tidak langsung menembus material. Para peneliti menemukan ini juga menjadi kasus dengan komposit selulosa baru mereka.
TERKAIT: Ilmuwan Kembangkan Metode Terobosan untuk Mendaur Ulang Plastik Industri pada Suhu Kamar dalam 20 Menit
Mereka menguji ketahanan material terhadap retakan, menggunakan alat untuk memulai retakan skala nano pertama dan kemudian skala mikro. Mereka menemukan bahwa, di berbagai skala, susunan butiran selulosa komposit mencegah retakan membelah material. Ketahanan terhadap deformasi plastis ini memberikan komposit kekerasan dan kekakuan pada batas antara plastik dan logam konvensional.
Ke depan, tim mencari cara untuk meminimalkan penyusutan gel saat mengering. Meskipun penyusutan tidak terlalu menjadi masalah saat mencetak benda kecil, benda yang lebih besar dapat tertekuk atau retak saat komposit mengering.
“Jika Anda dapat menghindari penyusutan, Anda dapat terus meningkatkan, mungkin hingga skala meteran,” kata Rao. “Kemudian, jika kita ingin bermimpi besar, kita bisa mengganti sebagian besar plastik, dengan komposit selulosa.”
Hasil tim peneliti dipublikasikan di jurnal Selulosa.
Sumber: MIT
MEMBUAT Kabar Baik Berkelanjutan; Bagikan di Media Sosial…
Posted By : hasil hk
