Il termine generale “nanocellulosa” si riferisce ad estratti o prodotti ottenuti da cellulosa, aventi dimensioni strutturali su scala nanometrica.
La nanocellulosa può essere classificata in tre tipologie:
- cellulosa nanocristallina (CNC o NCC)
- cellulosa nanofibrillare (CNF o NFC)
- nanocellulosa batterica (BNC)
NANOCELLULOSA CRISTALLINA (NCC)
I nanocristalli di cellulosa (NCC) si presentano come dei sottili aghetti con dimensioni che variano dai 3 ai 5 nm di diametro e con lunghezze che arrivano fino ad un massimo di 500 nm; solitamente vengono ottenuti in sospensione acquosa o in altro solvente a seconda dell’utilizzo finale, ma in ogni caso in concentrazioni molto basse. La NCC può essere preparata a partire da una grande varietà di fonti, quali ad esempio legno, cotone, sisal, canapa, cellulosa microcristallina, tunicata, cellulosa algale e cellulosa batterica. I cristalli di NCC sono privi di ripiegature nelle loro catene; essi contengono infatti solo un piccolo numero di difetti e ciò impartisce loro delle eccezionali proprietà meccaniche, tra cui un’elevata rigidità. In sospensioni acquose a bassa concentrazione le particelle di NCC sono orientate casualmente e formano una fase isotropica. Quando la concentrazione raggiunge un valore critico, in sospensione si forma una fase anisotropa tipica dei liquidi cristallini che ha la proprietà di cambiare il piano di polarizzazione della luce.
NANOCELLULOSA FIBRILLARE (CNF)
La cellulosa nanofibrillare (CNF) ha dimensioni che variano dai 4 ai 20 nm di diametro con lunghezze di qualche μm. Contrariamente alla NCC, la cellulosa nanofibrillare ha nanoparticelle lunghe e flessibili che presentano sia parti amorfe che parti cristalline. Le fibrille sono altamente intrecciate e creano un buon network in cui le molecole d’acqua rimangono quasi intrappolate e tale fenomeno si manifesta macroscopicamente con un aspetto simile ad un gel. Esistono differenti fonti di cellulosa naturale da cui partire per produrre CNF: in linea teorica si può partire anche da scarti di altre lavorazioni industriali per produrre una materia prima preziosa come la cellulosa nanofibrillare.
NANOCELLULOSA BATTERICA (BNC)
Oltre che dal mondo vegetale, la cellulosa può essere prodotta anche attraverso un processo che riduce al minimo l'impatto ambientale mediante l’impiego di biotecnologie applicate a microrganismi. Questo tipo di nanocellulosa batterica (BNC), nota anche come cellulosa microbica o biocellulosa, viene sintetizzata da alcuni batteri. L’Acetobacter xylinum è stato visto essere il produttore più efficiente. Microscopicamente la BNC si presenta come un’unica rete tridimensionale porosa, costituita da nanofibre di cellulosa con diametro compreso tra i 20 e i 100 nm e con una lunghezza media di circa 100 μm. La BNC mostra proprietà fisiche uniche tra cui un elevato grado di cristallinità (60-90%), un elevato grado di polimerizzazione (fino a 8000), un consistente contenuto di acqua (99%) e la possibilità di essere modellata. La nanocellulosa batterica sta riscuotendo un grande successo in campo medico poiché presenta una buona biocompatibilità. È stata osservata un’ottima compatibilità con i tessuti molli umani e ciò ha consentito alla BNC di essere inserita in campo medico come materiale di sostegno per la rigenerazione di un'ampia varietà di tessuti, come ad esempio la pelle in seguito ad ustioni.
APPLICAZIONI
Il crescente interesse per l’impiego di nanocellulosa in applicazioni che vanno dalla scienza dei materiali alle tecnologie biomediche, può essere facilmente spiegato considerando i molteplici vantaggi legati alle sue caratteristiche:
- materiale rinnovabile di origine naturale
- alta disponibilità
- produzione sostenibile a costi non elevati
- resistenza meccanica
- stabilità strutturale
- proprietà ottiche
- proprietà barrieranti nei confronti dell’aria
- biocompatibilità ed emocompatibilità
- biodegradabilità
- bassa tossicità
- possibilità di essere derivatizzata con diversi gruppi funzionali per conferire diverse proprietà
I campi di applicazione sono quindi molto eterogenei e vanno dall’ impiego nella bioedilizia, all’uso nel campo tessile, delle vernici, dell’elettronica, all’utilizzo di nicchia nel settore biomedico. Applicazioni in fotonica e optoelettronica derivano dal comportamento liquido cristallino di NCC che dà origine a film iridescenti con definite caratteristiche ottiche e dalla capacità di NCC e NFC di formare films otticamente trasparenti. Inoltre, la chimica di superficie permette di incorporare facilmente molecole di rilevanza ottica e di rendere facilmente compatibili i costrutti con componenti sia idrofile che idrofobe. Le potenziali applicazioni includono idrogels responsivi, filtri ottici, coperture antiriflettenti, elettronica flessibile, elettronica ottica. I film di NCC sono stati largamente studiati per le loro proprietà meccaniche, di assorbimento idrico e barriera per gas, di conducibilità termica. Tra le numerose applicazioni, vengono utilizzati per la realizzazione di involucri per alimenti. Altre applicazioni interessanti delle nanocellulose riguardano la creazione di supporti rigidi funzionalizzati per la crescita cellulare e l’utilizzo come carrier di farmaci e come biomateriali sostitutivi.
