Le super matériau qui peut remplacer le plastique

Les déchets plastiques sont un problème environnemental en croissance rapide. Mais un matériau biodégradable et naturel pourrait remplacer les emballages en plastique et éliminer ce problème. Le plastique est à bien des égards un matériau merveilleux. Il est facile à façonner, solide et bon marché à produire. Mais les plastiques sont également devenus un problème environnemental majeur. Un nombre impressionnant de 322 millions de tonnes de matière est produit chaque année. Cela représente 44 kilos de plastique pour chaque personne sur la planète (chiffres 2015 selon Plastics Europe ). Une grande partie de ce plastique finit comme déchet dans l'environnement, en particulier dans l'océan. L'emballage représente environ 40 pour cent de la quantité totale de déchets plastiques. La plupart de ce que nous achetons à l'épicerie est emballé dans du plastique. «Avons-nous vraiment besoin d'emballer quelque chose qui prend cinq minutes à manger dans un matériau qui met des centaines d'années à se décomposer?» demande Vegar Ottesen. Ottesen a participé à la finale régionale du concours du Grand Prix des chercheurs à Trondheim plus tôt cet automne, où il a présenté ses recherches sur la nanocellulose, qui pourrait remplacer le plastique dans les emballages. «Nous travaillons à trouver une solution alternative au plastique, et nous avons en fait la solution dans la nature: la nanocellulose. C'est tellement inoffensif qu'il peut même être mangé », dit-il en avalant une bouchée de nanocellulose gélifiée pour montrer qu'elle est sans risque. Biodégradable, non toxique La nanocellulose est constituée de petites fibres ou cristaux de matière végétale dans les parois cellulaires des plantes. Le matériau présente de nombreuses caractéristiques positives:

• Il est complètement biodégradable et non toxique
• Il peut être extrait des déchets forestiers et agricoles
• Il est plus résistant que l'acier par poids et plus fort que le Kevlar utilisé dans les gilets pare-balles
• Il peut être rendu transparent et constitue une meilleure barrière à l'oxygène que le plastique

«La force et les propriétés des barrières à gaz sont des aspects clés de ma recherche doctorale», déclare Ottesen. «J'étudie l'utilisation de fibres de nanocellulose comme couche protectrice sur du carton qui pourrait ensuite être utilisée pour emballer des aliments et d'autres choses qui doivent être protégées de l'environnement. Cela pourrait potentiellement remplacer les emballages en plastique et en aluminium dans de nombreuses applications, en particulier les matériaux non renouvelables à base de pétrole et de métal qui sont utilisés dans les cartons à boire et autres », ajoute-t-il. Alors pourquoi ne pas remplacer tout de suite les plastiques par de la nanocellulose? Certains défis doivent d'abord être résolus: à l'heure actuelle, il est encore beaucoup moins cher de fabriquer des emballages en plastique qu'une alternative plus respectueuse de l'environnement. Un autre défi est que la nanocellulose est un matériau très humide qui contient généralement 99% d'eau. Cette eau doit être éliminée avant que la nanocellulose puisse être utilisée dans des emballages, par exemple. Un autre défi est la manipulation du matériau lui-même, dit Ottesen. «Faire adhérer la nanocellulose au carton ou au papier n'est pas si simple. Des bulles ou des trous dans le revêtement de surface peuvent se produire - et il peut facilement devenir cassant et se fissurer en séchant », a-t-il déclaré. Mais il est bien parti pour trouver une solution à ce problème. En collaboration avec des chercheurs de l'Université Åbo Akademi en Finlande, Ottesen a testé des méthodes d'application de nanocellulose sur du carton ou du papier pour obtenir une surface lisse et fine. La nanocellulose crée ainsi une barrière qui protège tout ce qui est emballé dans cet emballage des influences extérieures. Des résultats prometteurs «Dans notre travail, nous avons utilisé du carton rugueux qui était irrégulier et qui avait de grands pores (voir l'image au microscope électronique ci-dessous), et même avec une seule couche de nanocellulose, nous sommes passés d'une surface inégale et rugueuse à un produit lisse et uniforme. L'absence de trous et de fissures signifie que la nanocellulose peut faire son travail de barrière aux gaz », explique Ottesen en expliquant les tests qu'ils ont effectués. Il ajoute que la douceur et la densité peuvent également faciliter l'application de bons graphiques tels que des logos et du texte avec moins d'encre d'impression, car ils ne seront pas absorbés par le papier mais resteront sur la surface lisse.   Une substance miracle La nanocellulose est un matériau unique qui peut potentiellement être utilisé pour de nombreuses applications différentes, du remplacement du plastique dans les emballages, à l'aide au corps pour réparer les tissus endommagés ou à l'extraction de plus de pétrole des puits de pétrole. La nanocellulose est un nanomatériau propre à la nature. Chaque fibre se compose d'un faisceau de molécules de cellulose qui s'emboîtent parfaitement. Il peut être mieux comparé à une corde composée de nombreux fils fins. Les fibres sont solides et permettent aux plantes de pousser droites et de se tenir debout. La surface est particulière car les fibres peuvent adhérer les unes aux autres. Cela nous permet d'utiliser la nanocellulose comme de minuscules blocs de construction qui se collent ensemble en de petites structures très solides. L'ingénierie tissulaire consiste à réparer les tissus endommagés par une maladie ou une blessure. Trois choses sont nécessaires pour aider le corps à réparer les tissus endommagés: les cellules vivantes du patient, les nutriments pour les cellules et un échafaudage sur lequel les cellules se fixent afin qu'elles puissent former de nouveaux tissus. La nanocellulose est utilisée pour construire cet échafaudage. Dans l'industrie pétrolière, 43 pour cent seulement du pétrole sont collectés dans les réservoirs de pétrole de la mer du Nord, laissant une grande partie du pétrole derrière. L'ajout de nanocellulose affecte la viscosité de l'eau. Il devient plus visqueux, créant un modèle d'écoulement différent. Cela permet d'extraire le pétrole de nouvelles zones du réservoir. Matériel intelligent Une coupe transversale de l'échantillon enduit d'Ottesen montre que la nanocellulose forme une couche sur le dessus du carton, même sur les pores inégaux, comme une peau fine. «La plupart des matériaux que vous appliquez sur le carton et le papier pénètrent dans les pores, nous nous attendions donc à ce que cela se produise ici aussi. Mais la nanocellulose que nous avons utilisée a formé un film fin lorsqu'elle a séché, probablement à cause du nombre de liaisons hydrogène entre les nanofibres », explique Ottesen. Institut du papier et des fibres Le projet de recherche sur la nanocellulose implique davantage de chercheurs de NTNU. Il est dirigé par le Paper and Fiber Institute (RISE PFI), où les chercheurs ont découvert et décrit pour la première fois les propriétés de barrière aux gaz de la nanocellulose. Cela pourrait signifier qu'il sera facile - quelle que soit la qualité du carton utilisé - de calculer la quantité de nanocellulose nécessaire par mètre carré de carton. Cela peut également signifier que la nanocellulose est assez robuste et qu'elle peut être placée de manière fiable sur une variété de surfaces avec le même résultat: une peau lisse avec très peu de trous par mètre carré et par conséquent de bonnes propriétés de barrière. Gagnant-gagnant pour la nature et les consommateurs Un défi restant est de rendre la nanocellulose suffisamment flexible pour que le revêtement ne devienne pas cassant et ne se fissure pas lorsqu'il sèche. «C'est ce sur quoi je travaille maintenant. Beaucoup de travail sur le terrain est en cours dans le monde entier et je crois fermement que c'est quelque chose qui peut être résolu assez rapidement. Si nous sommes capables de remplacer les emballages en plastique par ce type d'emballage, le consommateur et l'environnement gagnent », déclare Ottesen. «La nanocellulose sera bientôt en mesure de remplacer le plastique dans de multiples applications», a-t-il déclaré. «Je suis heureux de pouvoir aider à trouver des solutions possibles à l'énorme problème que le plastique est devenu.»