La nanocellulosa è la risorsa di biomassa più abbondante sulla Terra. Presenta i vantaggi di una facile degradazione, di essere rinnovabile, non tossica, economica e facile da reperire. Si prevede che sostituirà le tradizionali risorse petrolchimiche e verrà utilizzata per produrre vari materiali funzionali avanzati ad alto valore aggiunto. In base ai metodi di preparazione e alle fonti di origine, le nanocellulose possono essere suddivise in tre categorie: cellulosa nanocristallina (CNC), cellulosa nanofibra (CNF) e cellulosa batterica (BC).

Figura 1. Fonti, microstruttura e potenziali applicazioni della nanocellulosa

Materiali funzionali nanocellulosici per la fotonica chirale

La chiralità è onnipresente in natura e svolge un ruolo importante nelle scienze della vita e nella scienza dei materiali. Il CNC è un tipo di materiale a cristallo fotonico chirale su scala nanometrica. La struttura di fase a cristallo liquido nematico chirale del CNC può essere utilizzata non solo per preparare materiali di membrana funzionali con elevate proprietà meccaniche e proprietà ottiche speciali, ma può anche essere utilizzata come stampo morbido per indurre nanoparticelle a formare materiali funzionali con struttura chirale. Pertanto, la catalisi chirale, i metamateriali chirali, la crittografia a polarizzazione e la biosensoristica hanno importanti applicazioni.

Figura 2. Applicazioni dei materiali funzionali in nanocellulosa nella fotonica chirale

Materiali funzionali in nanocellulosa per driver software

Negli ultimi anni, sulla base di vari materiali morbidi derivati da polimeri sintetici, come i tipici idrogel, gli elastomeri a cristalli liquidi e i polimeri a memoria di forma, gli scienziati hanno progettato in modo intelligente una varietà di attuatori intelligenti biomimetici per imitare o addirittura superare il comportamento di guida degli organismi. Tuttavia, questi materiali polimerici tradizionali sono spesso sintetizzati attraverso processi complessi, sono costosi e difficili da degradare o riciclare, il che può comportare un certo impatto sull'ambiente. Vale la pena notare che gli attuatori software biomimetici basati su nanocellulosa hanno attirato sempre più attenzione grazie alla loro superiore flessibilità meccanica, all'elevata igroscopicità, alla sostenibilità o ecocompatibilità, al riutilizzo o alla biodegradabilità e alla biocompatibilità.

Figura 3. Applicazione di materiali funzionali a base di nanocellulosa nel campo dei driver software

Materiali funzionali nanocellulosici per lo stoccaggio di energia

Grazie alla sua ampia superficie specifica, all'eccellente flessibilità meccanica, alla buona stabilità chimica e alla compatibilità ambientale, nonché all'intreccio tra le fibre, la nanocellulosa è in grado di formare facilmente una struttura porosa che facilita il trasporto di ioni ed elettroni. Gruppi funzionali idrofili come i gruppi idrossilici e carbossilici sono legati alla superficie della fibra e la nanocellulosa ha una buona capacità di idratazione in soluzione elettrolitica, il che rende i materiali funzionali derivati ampiamente applicabili nel campo dell'accumulo di energia. I materiali funzionali a base di nanocellulosa possono essere utilizzati non solo come componenti in dispositivi di accumulo di energia, come membrane, elettroliti, adesivi e vettori. Allo stesso tempo, la carbonizzazione ad alta temperatura, la polimerizzazione chimica in situ e la deposizione elettrochimica possono essere utilizzate per comporre materiali elettroattivi e ottenere nanostrutture più fini con eccellenti proprietà elettrochimiche.

Figura 4. Applicazione di materiali funzionali a base di nanocellule nel campo dell'accumulo di energia

Materiali funzionali nanocellulosici per applicazioni biomediche

Allo stato secco, le proprietà meccaniche della nanocellulosa sono paragonabili a quelle delle ossa umane, mentre allo stato umido le proprietà fisico-chimiche della nanocellulosa sono simili a quelle della matrice extracellulare. Allo stesso tempo, oltre alle eccellenti proprietà fisiche e chimiche, le nanocellulose presentano un'elevata compatibilità con altri polimeri o materiali funzionali, il che conferisce ai materiali funzionali a base di nanocellulosa un buon valore pratico e ampie prospettive di applicazione in campo biomedico.

Figura 5. Applicazioni di materiali funzionali a base di nanocellule nel campo biomedico