Те же самые крошечные кристаллы целлюлозы которые обеспечивают прочность листьев, стеблей и стволов растений, не только отличаются небольшой плотностью и высокой эластичностью – как показывают результаты новых исследований, они такие же прочные, как и сталь.

Новая информация о хорошо известном материале может оказаться полезной для создания нового класса биологических материалов для широкого круга практических приложений, например для повышения прочности материалов, использующихся в строительстве и создании деталей автомашин.

Как отмечает Пабло Заваттьери (Pablo D. Zavattieri) из Университета Пэрдю, расчеты, основанные на моделях, в которых используется уточненная структура целлюлозы, показывают, что жесткость нанокристаллов целлюлозы составляет 206 гигапаскалей, что сравнимо с жесткостью стали.

Как подчеркивает Заваттьери, очень сложно измерить жесткость нанокристаллов целлюлозы экспериментально. В первую очередь это объясняется их крайне малыми размерами – нанокристаллы целлюлозы отличаются шириной в 3 нанометра, длиной в 500 нанометров и не могут наблюдаться с помощью обычного оптического микроскопа, более того их сложно изучать с помощью доступных лабораторных методов исследования. Именно поэтому исследователи для предсказания свойств наноцеллюлозы решили использовать средства квантовой механики. Надо отметить, что квантовохимическое исследование целлюлозы было проведено впервые, но при этом результаты этого исследования вполне можно считать вехой в понимании фундаментальных механических свойств нанокристаллов целлюлозы.

Заваттьери добавляет, что выполненная в его группе работа является также и первым шагом к созданию многомасштабного моделирования, который бы позволил понимать и предсказывать поведение отдельных кристаллов, особенностей взаимодействия друг с другом и с другими материалами. Все это важно для разработки новых материалов на основе целлюлозы, поскольку многие исследовательские группы во всем мире пытаются приспособить этот биоматериал для применения в различных областях – от электроники и медицины до конструкционных материалов.

Нанокристаллы целлюлозы представляют собой потенциальную экологически безопасную альтернативу углеродным нанотрубкам в качестве наполнителей для увеличения прочности полимеров и бетона. Также нанокристаллы целлюлозы могут стать материалом для создания биоразлагаемых упаковок, тканей и перевязочного материала. Также рассматриваются варианты применения наноцеллюлозы для создания гибких источников питания из электропроводящей бумаги, прозрачных гибких экранов для электронных устройств, фильтров для очистки воды и сенсоров. Достоинство материала в том, что целлюлоза представляет собой самый распространенный, к тому же и возобновляемый полимер на Земле, ее источниками могут быть высшие растения, водоросли, туникаты и некоторые бактерии, защитная оболочка которых состоит из целлюлозы. Производство биологических наноцеллюлозных материалов может стать логичным развитием уже существующих целлюлозно-бумажной и топливной промышленности.

Еще одним преимуществом нанокристаллов целлюлозы является возможность модификации поверхности этих кристаллов с целью модификации их свойств – такая модификация может увеличить сродство наноцеллюлозы к какому-либо полимеру и тем самым еще более значительно увеличить прочность композитного материала.

В планах Заваттьери расширить исследование на изучение свойств α-хитина, материала, образующего экзоскелеты раков, крабов, пауков и насекомых. Близость строения хитина и целлюлозы позволяет ожидать высокой жесткости и от нанокристаллов хитина.