Нанокристаллическую целлюлозу называют не иначе как материалом будущего. Его можно синтезировать из древесины, использованной бумаги, то есть он доступен практически всем. Это экологически чистый, а также биосовместимый материал. Благодаря особенным механическим и оптическим свойствам, вытянутой форме частиц, а также различным свойствам, возникающим на поверхности материала, нанокристаллическая целлюлоза постепенно находит массу приложений, еще больше от нее ожидают в перспективе.
Как получают наноцеллюлозу
Существует несколько способов. Однако для начала нужно получить обычную целлюлозу из древесины. Древесина – это, по сути, сеть целлюлозных волокон, которые скреплены полимером лигнином. Он химическим путем удаляется, и остается только целлюлоза. В обычном виде вещество может напоминать мокрое полотенце. Кроме обработки множества ресурсов растительного сырья (начиная лесными массивами и заканчивая морской флорой) целлюлозу можно получит, использовав бактерии, которые в ходе своей жизнедеятельности ее выделяют.
Далее необходимо разрушить волокна целлюлозы до нанофибрилл, которые примерно в тысячу раз меньше, чем сами волокна. В результате получаются 3D-цепочки молекул целлюлозы, связанных между собой водородными связями. Некоторые «скопления» молекул отделены друг от друга аморфными областями. Если растворить эти области, то получаются те самые нанокристаллы целлюлозы. Это делают с помощью сильных кислот.
Производство нанокристаллической целлюлозы для научного и промышленного мира далеко не в новинку. Этот материал известен уже около 50 лет. Однако более пристально его начали изучать лишь в последние десятилетия и обнаружили, что он может заменить цветофильтры (в которых больше не будет токсичных красителей), стать биологически совместимым сенсором для медицинских применений, использоваться в качестве защитного материала и во многих других приложениях.
Оптические свойства наноцеллюлозы, разработки в лаборатории SCAMT
Проявить оптические свойства нанокристаллическая целлюлоза может в том случае, если ее получение было осуществлено гидролизом в среде 65% серной кислоты. После такого воздействия все аморфные части целлюлозы разлагаются до глюкозы, а оставшиеся, менее подверженные воздействию кислоты части сорбируют на себя часть сульфатных групп, приобретая поверхностный заряд. Наличие этого заряда позволяет за счет электростатических взаимодействий самособираться в хеликоидную структуру, как и в молекулах холистерических жидких кристаллов, то есть образовывать спиральную структуру, рассказала Елена Еремеева. Меняя «шаг» закручивания этой спирали, ученые могут изменить дифракционные свойства нанокристалла, иными словами управлять его оптическими свойствами.
Что это значит? Дифракция представляет собой различные отклонения распространения световых волн. В результате этого процесса световая волна может попадать в область дифракционной решетки с одной длиной волны, а выходить из этой области уже с другой длиной. В результате меняется цвет свечения.
Задача ученых сегодня как раз заключается в том, чтобы научиться изменять дифракционную решетку на нанокристалле целлюлозы. Как это можно сделать? Например, в ходе получения «спиралей» наноцеллюлозы в них можно «вставлять» различные вещества-электролиты, которые будут сорбироваться на поверхности кристаллов и таким образом менять расстояние между слоями наноцеллюлозы, то есть менять тот самый «шаг» закручивания, отметила Елена Еремеева.
«Такие объекты в поляризованном свете будут приобретать цветность. Благодаря этому мы сможем получить совершенно иные фотофильтры, для производства которых не нужно будет использовать химические пигменты. То есть это будет экологически чистый продукт. Получать такие нанокристаллы можно будет методом струйной печати, который применяется в том числе в нашей лаборатории», – добавила она.
Однако сегодня международная исследовательская группа в Университете МакГилла смогла управлять цветностью нанокристаллической целлюлозы уже при просвете и обычным, видимым светом. На практике это значит, что использовать такой метод окраски изделий из целлюлозы можно будет и в бумажной промышленности, и в какой-либо другой, где важно восприятие цвета невооруженным глазом.
Также оптические свойства нанокристаллической целлюлозы можно будет использовать для создания сенсоров. Работа таких сенсоров будет возможна как раз за счет того, что под воздействием каких-либо веществ будут изменяться дифракционные свойства кристалла, то есть меняться расстояние между слоями целлюлозы, – «шаг» закручивания кристалла. Пока наиболее реализуемой разработкой является сенсор влажности. Нанокристаллическая целлюлоза обладает большой площадью поверхности с отличными адсорбционными свойствами, то есть она хорошо поглощает различные вещества. В этом случае будет происходить изменение структуры кристалла, что отразится на его оптических свойствах – например, изменится длина отраженной волны при просвете поляризованным светом.
Также стоит учитывать, что не все вещества можно будет детектировать с помощью нанокристаллической целлюлозы. Потому что молекулы некоторых веществ слишком велики, и при взаимодействии с кристаллами они просто не смогут проникнуть в их «поры», чтобы изменить структуру, подчеркнула Елена Еремеева.
Наноцеллюлоза для гибкой электроники
Наноцеллюлоза обладает свойствами, благодаря которым ее можно будет использовать в качестве основы для создания гибкой электроники. В этом случае нанофибриллы из целлюлозы выступают в роли подложки для компонентов электроники. Например, с помощью послойного осаждения золотых и оксидных наночастиц на целлюлозные волокна можно получитьгибкий материал, который может быть использован в качестве электрода для суперконденсатора. Суперконденсаторы используются как источники напряжения, а также могут стать альтернативой аккумуляторам.
Огромный плюс таких подложек заключается в том, что они могут быть полностью биоразлагаемыми, то есть их можно будет утилизировать, погрузив в растворитель. Однако сложность в создании гибкой электроники на их основе заключается в том, что ученым пока сложно получить термическую и химическую устойчивость подложек, в том числе по отношению к той же влаге (воде). Поэтому необходимо разрабатывать покрытия, после нанесения которых подложки будут гидрофобны.
Нацеллюлоза может быть прочнее, чем сталь
Волокна наноцеллюлозы представляют собой вытянутые трубки. Если соединить их вместе, то можно получить материал, который будет прочнее стали или алюминия. Например, в исследовательском центре DESY в Германии ученые уже смогли получить десятисантиметровый образец таких нитей. Для этого они поместили волокна наноцеллюлозы параллельно вместе с потоком воды, в который была добавлена соль. Благодаря соли волокна смогли образовать между собой связи, и после высыхания ученые получили прочный и гибкий материал. Однако задача состоит в том, чтобы сделать это биодеградируемое вещество еще прочнее, чтобы можно было использовать его в промышленности, энергетике.
Также наноцеллюлозу можно использовать в качестве упрочняющего вещества в составе каких-либо композитов. Например, композит из карбоната кальция и наноцеллюлозы получается похожим по своим свойствам на панцирь ракообразных. Так как наноцеллюлоза в составе некоторых композитов может быть прозрачной, вероятно, ее можно будет использовать и в качестве защитных стекол.
Наноцеллюлоза вместо пластика для упаковок и автомобилей
В шведском университете работает научная группа, которая создаетбиоразлагаемую альтернативу современному пластику. Если придать наноцеллюлозным волокнам гидрофобные и воздухонепроницаемые свойства с помощью специальных добавок, ее можно будет использовать для длительного хранения продуктов питания, например.
А в Университете Винсконсина (США) пытаются сделать пластик более легким для использования в автомобильной промышленности. Обычный пластик смешивают с наноцеллюлозой с использованием воды или азота. Это необходимо, так как у пластика и целлюлозы разные температуры начала деградации, что затрудняет производство композита. Другая научная группа из Саудовской Аравии также разрабатывает биоразлагаемый материал на основе наноцеллюлозы для производства автомобильных бамперов. При этом целлюлозу получают из отходов банановой промышленности.
Наноцеллюлоза в медицине, экологии.
Уже есть разработки, в которых наноцеллюлозу используют в качестве подложки для ускоренной регенерации костей в стоматологии. Также есть потенциал применять наноцеллюлозу в составе композитов для ускорения заживления ран. Ученые рассматривают этот материал в качестве основы для таргетированной доставки лекарств. Огромный плюс этого материала заключается в том, что он биосовместим.
Также ведутся исследования по применению наноцеллюлозы в экологии. Губка из аэрогеля на основе наноцеллюлозы абсорбирует нефть и может применяться для очистки водоемов от нефтяных загрязнений, так как она не впитывает воду.
(автор Наталья Блинникова)