nanocellulose

Nanocellulose er bygd opp av cellulosefibriller eller cellulosekrystallitter.

• Fibrillert nanocellulose (engelsk CNF) består av et viklet nettverk av fleksible, lengre og bredere nanofibre. Disse kan være 20–100 nm (nanometer) i diameter og ha en lengde på over 10 000 nm.
• Krystallinsk nanocellulose (engelsk CNC) består av sylindriske, avlange og mindre fleksible nanopartikler. Disse er typisk 4–70 nm i diameter og har en lengde på 100–6000 nm.

Nanocellulose vil ha ulike egenskaper ut fra hvor mye CNF og CNC den består av. CNF-fibrene er lengre og tynnere enn CNC-fibrene og har en større grad av sammenfletting. Nanocellulose som inneholder mye CNF har høyere styrke og elastisitetsmodul («Youngs modul»), men agglomerasjon av fibre gir også lavere bruddgrense.

Nanocellulose kan fremstilles med høy styrke, høy fleksibilitet og lav tetthet. Materialets mekaniske egenskaper kan sammenlignes med kevlar, men nanocellulose kan oppnå en strekkstyrke på 10 GPa (gigapascal), altså noe høyere enn kevlar. Dette gjør at nanocellulose blant annet kan brukes som tilsetning i kompositter som betong og papir.

Ved de rette konsentrasjonene vil nanocellulose suspendert i en væske oppføre seg skjærtynnende. På grunn av dette er det mulig å bruke nanocellulose som for eksempel blekk i kulepenner. Nanocellulose er inert og fungerer som en effektiv barriere mot apolare gasser som oksygen. Som barriere mot oksygen fungerer nanocellulose bedre enn petroleumsbasert plastemballasje, og nanocellulose vurderes derfor som en mulig erstatning for dagens plast.

Krystallinsk nanocellulose vil under bestemte forhold oppføre seg som en flytende krystall, og dette gir materialet visse optiske egenskaper. Ved høye nok konsentrasjoner vil nanokrystallene begynne å rette seg i samme retning, for å minimere den frie energien i løsningen. Dette resulterer til slutt i det som kalles en kolestrisk fase. Det vil si at nanokrystallene ordner seg lagvis, og alle krystallene peker i samme retning innenfor hvert lag, men hvert lag peker i noe forskjellige retninger. Blandingen kan tørkes til et tynt lag av nanocellulose som beholder denne strukturen. Disse tynne lagene polariserer lys, og området av lysspekteret som blir polarisert kan justeres. Polariseringen kan blant annet være sensitiv til temperatur og kjemisk komposisjon, og vil derfor kunne anvendes i optiske apparater som måler disse parametrene. Temperatursensitiviteten kan også utnyttes til å produsere lav-effekt LCD-skjermer.

Nanocellulose består av cellulosefibriller, og er derfor biokompatibelt og nedbrytbart. Dette gjør materialet relevant innen medisinsk forskning, for eksempel som reisverk under vevsregenerering og transportsystem i målrettet medisinering. Her refererer transportsystem til stoffer som brukes til å pakke inn og transportere medisiner gjennom kroppen til et spesifikt mål.

I produksjon av nanocellulose brukes celluloserike plantematerialer som trær eller bomull, men kappedyr som Styela clava kan også benyttes. Kappedyr er celluloserike ryggstrengdyr, og kan knuses på samme måte som plantematerialer for å ekstrahere cellulose. Ettersom cellulose både har krystallinske og amorfe områder, kan både krystallinsk nanocellulose og fibrillert nanocellulose utvinnes på denne måten. Dette gjøres ved å male opp cellulosen, påføre høyt trykk og tilføre enzymer for å få ut nanocellulosefibriller. For å oppnå den krystallinske strukturen isoleres delene av cellulose som er naturlig krystallinske, og nanopartikler med nesten perfekt krystallinsk struktur ekstraheres.

Nanocellulose kan også produseres direkte fra bakterier som Komagataeibacter xylinus. Bakteriell nanocellulose dannes ved at bakterier produserer enkeltkjeder av cellulose som settes sammen i nanocellulose-bånd og ekstruderes. Disse båndene danner spindelvevformede nettverk. Bakteriell nanocellulose beskrives ofte som en egen type nanocellulose, til tross for at strukturen til cellulose-båndene er lik fibrillert nanocellulose. Det som skiller bakteriell nanocellulose fra fibrillert og krystallinsk nanocellulose er produksjonsmåten. Produksjon ved hjelp av bakterier fører til et produkt av høy renhetsgrad og tett sammenviklet nettverk.

Dagens produksjon av nanocellulose er kostbar. Dette er hovedsakelig på grunn av lavt utbytte, dyre kjemikalier eller høyt energiforbruk, spesielt sammenlignet med produksjonskostnadene til petroleumsbaserte plastprodukter. Nanocellulose er også svært hydrofilt, noe som fører til at ferdig utvunnet nanocellulose kan bestå av så mye som 99 prosent vann. Det er utfordrende å tørke denne blandingen uten at det oppstår bobler eller sprekker som kan ødelegge funksjonaliteten til det ferdige produktet.

• nanoteknologi