ננוצלולוז

ננוצלולוז, או צלולוז מיקרופיברילי הוא ביופולימר המורכב ממיקרופיברילות של צלולוז בגודל ננומטרי. רוחבו הממוצע נע בין 5–20 ננומטר ואורכו נע בטווח רחב שבין עשרות ננומטרים ועד למיקרונים בודדים. חומר זה הוא פְּסֵאוּדוֹ-פלסטי ומכך תצורותיו הן מגוונות. ניתן לייצרו כקצף, אירוג'ל, כשכבות ננוצלולוז קשיחות וחזקות וכפולימרים גבישיים בלתי חדירים לגז.
לצלולוז מיקרופיברילי תכונות דומות לסוגים של ג'לים וזורמים הנוטים להיות צמיגיים בתנאים נורמלים, ונוזליים במאמץ גזירה. כאשר הכוחות המופעלים עליו בטלים, החומר חוזר למצבו ההתחלתי.
צלולוז מיקרופיברילי הוא חומר ביו-מתכלה והמיקרופיברילות המרכיבות אותו מקורן מחומרים שונים המכילים צלולוז, לדוגמה סיבי עץ. מיקרופיברילות אלו מתקבלות על ידי תהליך של המגון תחת לחץ, טמפרטורה ומהירות גבוהים. שיטה נוספת ליצירת מיקרופיברילות היא על ידי הידרוליזה של חומצה. משיטה זו מתקבל צלולוז ננו-גבישי (באנגלית: Cellulose nanowhiskers) בעל מיקרופיברילות גבישיות וקשיחות, הקצרות יותר באורכן (בין מאות לאלפי ננומטרים) לעומת המיקרופיברילות המתקבלות בתהליך המגון. 
חומר זה בעל פוטנציאל להוות כחומר גלם עבור מגוון רחב של יישומים בתחומים כמו מזון, היגיינה, תרופות, טכנולוגיה ועוד. בזכות תצורותיו המגוונות ניתן להתאים לו את תכונות החומר הרצויות (תכונות כימיקליות, ביולוגיות, מוליכות ועוד) לתפקוד הנבחר עבורו ובכך לייצר ממנו חומרים ננומטריים שונים ומגוונים בעלי יעילות גבוהה.

היסטוריה

הפעם הראשונה בה נעשה שימוש במונח צלולוז מיקרופיברילי הייתה בשנות ה-70 המאוחרות במעבדות של חברת ITT Rayonier בניו ג'רזי, ארצות הברית. כוונתם הייתה לתאר תוצר ג'ל שהתקבל מניסוי בו הוכנסו סיבי עץ למכונה המשמשת להמגון חלב תחת תנאים של לחץ, טמפרטורה ומהירות גבוהים. המונח צלולוז מיקרופיברילי פורסם לראשונה לציבור הרחב בתחילת שנות ה-80 כאשר יצאו לאור מספר פטנטים ופרסומים של החברה אודות החומר. בעבודה נוספת שהתפרסמה מספר שנים מאוחר יותר, תיארה החברה כיצד ניתן להכין את החומר גם כאבקה יבשה. באמצע שנות ה-90 גם מספר חברות יפניות החלו לעסוק במחקר אודות שימושים אפשריים של החומר. למעשה, עד היום ישנו מחקר מקיף ומאמצים לפיתוח התחום ברחבי העולם.

שיטות ייצור

ניתן לייצר צלולוז מיקרופיברילי מחומרים שונים המכילים צלולוז, אך לרוב נעשה שימוש בסיבי עץ. המיקרופיברילות של הצלולוז מבודדות מסיבי עץ על ידי תהליך של המגון בלחץ גבוה הגורם להפרדת דופן התא של הסיבים לקבלת פיברילות בגודל ננומטרי. 
צלולוז ננו-גבישי (באנגלית: Cellulose nanowhiskers) בעל מיקרופיברילות גבישיות קצרות וקשיחות מיוצר על ידי הידרוליזת חומצה של סיבי צלולוז נטיביים בעזרת מלח אנאורגני מרוכז, לרוב חומצה הידרוכלורית או גופרתית. לאחר ההידרוליזה, ניתן לאסוף את הגבישים מהתמיסה החומצית על ידי צנטריפוגה.

מבנה

המבנה של הצלולוז נחקר בטכניקות כמו מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (Transmission Electron Microscope, TEM), מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (Scanning Electron Microscope, SEM), מיקרוסקופ כוח אטומי (Atomic Force Microscope,AFM), פיזור ועקיפה של קרני רנטגן ותהודה מגנטית גרעינית (NMR,(Nuclear Magnetic Resonance. בעזרת השילוב של טכניקות אלו נמצא כי רוחבן הממוצע של המיקרופיברילות נע בין 5–20 ננומטר ואורכן נע בטווח רחב שבין עשרות ננומטרים ועד למיקרומטרים בודדים. את אורכן המדויק של המיקרופיברילות קשה מאוד לקבוע, זאת בעקבות המבנה הסבוך שלהן, ועקב הקושי לזהות את 2 הקצוות של כל מיקרופיברילה בודדת. 
ננוצלולוז המצוי בתרחיף אינו תמיד הומוגני, ולעיתים רכיביו מצויים במבנים שונים כמו צברים של ננופיברילות.

שימושים

התכונות המגוונות של הננוצלולוז (תכונות מכניות, סידור בשכבות, צמיגות ועוד) מייעדות את החומר למגוון רחב של שימושים.

נייר וקרטון

עקב עלותו הזולה ובזכות תכונותיו כחומר דק, חזק וגמיש קיים פוטנציאל ליישום של ננוצלולוז בתחום של ייצור נייר וקרטון. ננוצלולוז יכול לחזק את הקשרים שבין הסיבים, ובכך לחזק את מוצרי הנייר השונים. בנוסף, ננוצלולוז יכול לשמש כחסם עבור ניירות עמידות לשמן וכחומר סופח יבש או נוזלי.

יצירת חומרים מרוכבים

התכונות של הננוצלולוז מאפשרות להשתמש בו כחומר מחזק גם למוצרי פלסטיק. נמצא כי ננוצלולוז משפר את התכונות המכניות של מוצרים רבים כמו שרפים תרמוסטים, תווכים מבסיס של עמילן, לטקס (גומי טבעי) וסיבים סינתטיים.

מזון

השימוש בג'ל ננוצלולוז בתחום המזון זוכה להתעניינות רבה בזכות התכונות הראולוגיות של החומר. חומר זה משמש כתחליף דל קלורי לתוספים פחמימתיים המשמשים לעיבוי, כבסיס של חומרי טעם וכמייצבים במגוון מוצרי מזון. חומר זה שימושי לייצור של מרקים, רטבים, מילויים, אפיפיות, צ'יפס, פודינג ועוד.

שימושים רפואיים, פרמקולוגים וקוסמטיים

ישנם מספר שימושים פוטנציאלים בננוצלולוז עבור תחום הרפואה והקוסמטיקה. חומר זה יכול לשמש כאירוג'ל סופח נוזלים (בפדים, טמפונים, תחבושות וחיתולים), כחומר ציפוי עבור מוצרי קוסמטיקה שונים, כשכבת חסם אנטימיקרוביאלית, כחומר מוצק בטבליה שנועדה לטיפול בבעיות מעיים, כאבקה בלתי פעילה בתרכובת תרופתית, כמרכיב של פילטר לתאי דם במהלך עירוי דם ועוד.

שימושים נוספים

מכיוון שננוצלולוז הוא חומר מוליך חשמל, ניתן לעשות בו שימוש כמרכיב של רכיבי מחשב או חומר לחיזוק ממברנה של רמקולים וחומרים מוליכים נוספים. בנוסף, בזכות היותו חומר קל משקל וחזק מאוד, חומר זה יכול לשמש כחומר להרכבת רהיטים ואף לשמש לאמצעי לחימה כמרכיב להכנת שריון וזכוכית משוריינת.