Лучший способ изучить состав бумаги. Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) в сотрудничестве с правительственным издательством США разработали новый, неразрушающий метод для быстрого измерения компонентов древесины и недревесных волокон в бумаге.

Фото: CC0 Public Domain

Определение и измерение соотношения растительных волокон, используемых для производства бумаги, широко применяется в криминалистике, сохранении произведений искусства, проверке подлинности исторических документов, оценке содержания переработанной бумаги и обеспечении того, чтобы паспорта и другие документы правительства США печатались на требуемой защищенной бумаге.

Например, высококачественные правительственные документы часто создаются из недревесных волокон, таких как хлопок. Волокна из древесины делают бумагу более хрупкой и помогают определить ее возраст. Судебные следователи на месте преступления часто ищут передачу материалов между людьми; такие материалы включают виды волокон, которые находятся в бумаге.

Несмотря на свою важность, нынешний метод анализа бумаги мало изменился, поскольку технолог по волокну Мэри Роллинс из NIST (тогда известная как Национальное бюро стандартов) помогла пионером этого метода в 1920-х и 30-х годах. Однако, по современным стандартам, методика трудоемка, трудоемка и очень субъективна. Процесс также требует пожертвовать частью бумажного образца, который может быть ограничен и необходим для доказательства.

To liberate individual fibers in the sample, the paper must be boiled in water, macerated (softened) with a glass stirring rod and treated with several chemicals. Then an eyedropper full of the fiber solution is placed on a microscope slide to dry. Next, iodine stains the fiber to render it visible. Then, the analyst must rely on his or her memory and visual acuity to match the shape of the stained fibers to textbook images of some 100 plant fibers.

Ученые NIST Яу Обенг, Ян Обжут и Дайан Постер вместе с приглашенным исследователем NIST Майклом Постеком и их коллегой из GPO Мэри Комболиас в настоящее время перенесли анализ волокна бумаги в 21-й век, используя метод, недавно использованный для изучения старения материала. в устройствах микроэлектроники на полупроводниковых микросхемах. Их измерения могут быть выполнены за считанные минуты и оставить весь лист бумаги нетронутым.

Техника, известная как диэлектрическая спектроскопия, идентифицирует состав материалов путем изучения того, как конкретные молекулы реагируют на быстро меняющееся электрическое поле. Приспосабливая технику к бумаге, исследователи сосредоточились на поведении молекул воды, которые добавляются в процессе производства и также являются ключевым компонентом растительных волокон, используемых для изготовления бумаги. (Молекулы воды представляют собой небольшой, но важный компонент сухой бумаги.)

Микроволны, сияющие на листе бумаги, заставляют молекулы вращаться. Скорость, с которой молекулы воды вращаются в бумаге, отличается от скорости, с которой они будут вращаться в свободном пространстве. Это потому, что молекулы воды в волокнах связаны с природными полимерами и другими материалами в бумаге, которые влияют на скорость вращения. Таким образом, конкретная частота, с которой вращаются молекулы воды, дает представление о химической среде молекул воды и, следовательно, о содержании бумаги.

Молекулы воды обеспечивают отличные зонды состава бумаги, в которой они находятся. Вода — это полярная молекула, означающая, что ее положительные и отрицательные заряды слегка отделены друг от друга. В результате этого разделения один конец молекулы воды имеет положительный заряд, в то время как другой конец имеет отрицательный заряд. Когда к бумаге прикладывают переменное электрическое поле, полярность молекул воды совпадает с направлением электрического поля. Когда поле меняет направление, что происходит много миллиардов раз в секунду, молекулы воды пытаются следовать их примеру, изменяя свою полярность синхронно с полем. Но матч не идеален.

Это во многом потому, что реакция молекул воды зависит от состава бумаги — в частности, от природы полимеров, с которыми связаны молекулы воды. Например, лигнин, полимер в стенках растительных клеток, который делает растения жесткими и древесными, значительно замедлит скорость, с которой молекулы воды могут менять свою ориентацию при приложении переменного электрического поля. Регистрация скорости отклика молекул воды, таким образом, обеспечивает очень чувствительную меру типа растительных волокон и их концентрации в бумажном образце.

«То, как быстро молекулы воды приспосабливаются к переменному электрическому полю, многое говорит нам о составе бумаги», — сказал Обенг.

Исследователи сообщили о своих выводах в недавнем выпуске журнала Tappi Journal , который включает исследования лесных товаров и смежных отраслей.

Команда вместе с другими учеными в настоящее время изучает, как можно использовать тот же метод для обнаружения вредных бактерий на поверхностях в больничных палатах, а также на недавно пойманной рыбе и других скоропортящихся продуктах. Техника может работать, потому что, подобно молекулам воды, некоторые бактерии имеют особый способ переориентации в присутствии переменного электрического тока и расслабления, когда ток отключен.

По материалам phys.org