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. 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. 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. 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. התכונות המגוונות של הננוצלולוז (תכונות מכניות, סידור בשכבות, צמיגות ועוד) מייעדות את החומר למגוון רחב של שימושים. 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. 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. 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. 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 בטבלייה שנועדה לטיפול בבעיות מעיים, כאבקה בלתי פעילה בתרכובת תרופתית, כמרכיב של פילטר לתאי דם במהלך עירוי דם ועוד. 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. ביוננוטכנולוגיה ננו-חומרים (אנ') Aulin, Christian; Susanna Ahola, Peter Josefsson, Takashi Nishino, Yasuo Hirose, Monika Österberg and Lars Wågberg (2009). "Nanoscale Cellulose Films with Different Crystallinities and Mesostructures-Their Surface Properties and Interaction with Water". Langmuir 25 (13): 7675–7685. doi:10.1021/la900323n. PMID 19348478. Peng, B. L., Dhar, N., Liu, H. L. and Tam, K. C. (2011). "Chemistry and applications of nanocrystalline cellulose and its derivatives: A nanotechnology perspective.". The Canadian Journal of Chemical Engineering 89 (5): 1191–1206. Turbak, A.F.; F.W. Snyder, and K.R. Sandberg (1983). "Microfibrillated cellulose, a new cellulose product: Properties, uses and commercial potential". In A. Sarko (ed.). Proceedings of the Ninth Cellulose Conference. Applied Polymer Symposia, 37. New York City: Wiley. pp. 815–827. ISBN 0-471-88132-5. Herrick, F.W.; R.L. Casebier, J.K. Hamilton, and K.R. Sandberg (1983). "Microfibrillated cellulose: morphology and accessibility". In A. Sarko (ed.). Proceedings of the Ninth Cellulose Conference. Applied Polymer Symposia, 37. New York City: Wiley. pp. 797–813. ISBN 0-471-88132-5. Berglund, Lars (2005). "Cellulose-based nanocomposites". In A.K. Mohanty, M. Misra, and L. Drzal (Eds). Natural fibers, biopolymers and biocomposites. Boca Raton, Florida: CRC Press. pp. 807–832. ISBN 978-0-8493-1741-5. Chinga-Carrasco, G.; Yu, Y., Diserud, O. (21). "Quantitative Electron Microscopy of Cellulose Nanofibril Structures from Eucalyptus and Pinus radiata Kraft Pulp Fibers". Microscopy and Microanalysis 17 (4): 563–571. Bibcode:2011MiMic..17..563C. doi:10.1017/S1431927611000444. Chinga-Carrasco, G., Miettinen, A., Luengo Hendriks, C.-L., Gamstedt, E.K., Kataja, M. (2011) Structural Characterisation of Kraft Pulp Fibres and Their Nanofibrillated Materials for Biodegradable Composite Applications. InTech. ISBN 978-953-307-352-1. Chinga-Carrasco, G. (13). "Cellulose fibres, nanofibrils and microfibrils: The morphological sequence of MFC components from a plant physiology and fibre technology point of view". Nanoscale Research Letters 6: 417. Bibcode:2011NRL.....6..417C. doi:10.1186/1556-276X-6-417