Nanoceluloza je najpogostejši vir biomase na Zemlji. Ima prednosti enostavne razgradnje, obnovljivosti, nestrupenosti ter poceni in enostavne pridobitve. Pričakuje se, da bo nadomestila tradicionalne petrokemične vire in se uporabljala za proizvodnjo različnih naprednih funkcionalnih materialov z visoko dodano vrednostjo. Glede na metode priprave in vire nanoceluloze lahko nanocelulozo razdelimo v tri kategorije: nanokristalna celuloza (CNC), nanovlakna celuloza (CNF) in bakterijska celuloza (BC).

Slika 1. Viri, mikrostruktura in možne uporabe nanoceluloze

Nanocelulozni funkcionalni materiali za kiralno fotoniko

Kiralnost je vseprisotna in igra pomembno vlogo v znanosti o življenju in materialih. CNC je vrsta nanometrskega kiralnega fotonskega kristalnega materiala. Kiralna nematična tekočekristalna fazna struktura CNC se ne more uporabiti le za pripravo funkcionalnih membranskih materialov z visokimi mehanskimi lastnostmi in posebnimi optičnimi lastnostmi, temveč se lahko uporabi tudi kot mehka predloga za indukcijo nanodelcev, da tvorijo funkcionalne materiale s kiralno strukturo. Zato imajo kiralna kataliza, kiralni metamateriali, polarizacijsko šifriranje in biosenzorika pomembne aplikacije.

Slika 2. Uporaba nanoceluloznih funkcionalnih materialov v kiralni fotoniki

Nanocelulozni funkcionalni materiali za gonilnike programske opreme

V zadnjih letih so znanstveniki na podlagi različnih mehkih materialov, pridobljenih iz sintetičnih polimerov, kot so tipični hidrogeli, elastomeri s tekočimi kristali in polimeri s spominom na obliko, spretno zasnovali različne biomimetične inteligentne aktuatorje, ki posnemajo ali celo presegajo vozno vedenje organizmov. Vendar pa se ti tradicionalni materiali na osnovi polimerov pogosto sintetizirajo s kompleksnimi postopki, so dragi in jih je težko razgraditi ali reciklirati, kar lahko predstavlja določeno obremenitev za okolje. Omeniti velja, da biomimetični programski aktuatorji na osnovi nanoceluloze pritegujejo vse več pozornosti zaradi svoje vrhunske mehanske fleksibilnosti, visoke higroskopske sposobnosti, trajnosti ali okolju prijaznosti, možnosti ponovne uporabe ali biorazgradljivosti ter biokompatibilnosti.

Slika 3. Uporaba funkcionalnih materialov na osnovi nanoceluloze na področju gonilnikov programske opreme

Nanocelulozni funkcionalni materiali za shranjevanje energije

Zaradi velike specifične površine, odlične mehanske prožnosti, dobre kemijske stabilnosti in prijaznosti do okolja ter prepletanja med vlakni nanoceluloza zlahka tvori porozno strukturo, ki olajša transport ionov in elektronov. Hidrofilne funkcionalne skupine, kot so hidroksilne in karboksilne skupine, so pritrjene na površino vlaken in imajo dobro sposobnost vlaženja v elektrolitni raztopini, zaradi česar imajo pridobljeni funkcionalni materiali široko možnost uporabe na področju shranjevanja energije. Funkcionalni materiali na osnovi nanoceluloze se ne morejo uporabljati le kot komponente v napravah za shranjevanje energije, kot so membrane, elektroliti, lepila in nosilci. Hkrati se lahko za spajanje elektroaktivnih materialov uporabijo visokotemperaturna karbonizacija, kemična polimerizacija in situ in elektrokemično nanašanje, da se dobijo finejše nanostrukture in odlične elektrokemijske lastnosti.

Slika 4. Uporaba funkcionalnih materialov na osnovi nanoceluloze na področju shranjevanja energije

Nanocelulozni funkcionalni materiali za biomedicinske aplikacije

V suhem stanju so mehanske lastnosti nanoceluloze primerljive z lastnostmi človeških kosti, medtem ko so v mokrem stanju fizikalno-kemijske lastnosti nanoceluloze podobne lastnostim zunajceličnega matriksa. Hkrati imajo nanoceluloze poleg odličnih fizikalnih in kemijskih lastnosti tudi visoko združljivost z drugimi polimeri ali funkcionalnimi materiali, zaradi česar imajo funkcionalni materiali na osnovi nanoceluloze dobro praktično vrednost in široke možnosti uporabe na področju biomedicine.

Slika 5. Uporaba funkcionalnih materialov na osnovi nanoceluloze na področju biomedicine