Nanocellulose là gì? Các công bố khoa học về Nanocellulose

Nanocellulose là gì?

Nanocellulose là một dạng cellulose có cấu trúc ở cấp độ nano, thường có đường kính dưới 100 nanomet và chiều dài từ vài trăm nanomet đến vài micromet. Đây là vật liệu sinh học có nguồn gốc từ thực vật hoặc vi khuẩn, được xử lý để đạt được kích thước nano thông qua các phương pháp cơ học, hóa học hoặc sinh học. Với đặc tính cơ học vượt trội, nhẹ, phân hủy sinh học, và tương thích sinh học, nanocellulose được xem là vật liệu xanh tiềm năng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và y tế.

Cellulose, thành phần cấu trúc chính trong thành tế bào thực vật, là polymer polysaccharide tự nhiên phổ biến nhất trên Trái Đất. Khi được xử lý để đạt kích thước nano, cellulose trở nên đặc biệt hơn nhờ diện tích bề mặt lớn, tính chất cơ học cao và khả năng tương tác hóa học đa dạng.

Nanocellulose đang thu hút sự chú ý trong nhiều nghiên cứu vật liệu tiên tiến, với mục tiêu thay thế các vật liệu không bền vững hoặc có nguồn gốc hóa dầu trong các ứng dụng thực tế.

Các loại nanocellulose

Nanocellulose được phân loại chủ yếu thành ba dạng chính: cellulose vi tinh thể (CNC), cellulose nano sợi (CNF), và vi khuẩn nanocellulose (BNC). Mỗi loại có cấu trúc, phương pháp sản xuất và ứng dụng riêng biệt.

1. Cellulose vi tinh thể (CNC - Cellulose Nanocrystals)

CNC là các tinh thể nano cellulose thu được bằng cách thủy phân acid (thường là acid sulfuric hoặc hydrochloric) từ cellulose nguồn gốc thực vật. Trong quá trình này, phần vô định hình (amorphous) bị phân hủy, chỉ còn lại phần tinh thể có trật tự cao.

Thông số kỹ thuật phổ biến của CNC:

• Đường kính: 5–20 nm
• Chiều dài: 100–500 nm
• Mô đun Young: lên đến $150\ \text{GPa}$

Ưu điểm của CNC:

• Tinh thể hóa cao, bền cơ học vượt trội
• Phân tán tốt trong dung môi nước
• Khả năng tạo cấu trúc quang học cholesteric phản xạ ánh sáng

CNC được sử dụng trong các ứng dụng như: màng chống thấm, lớp phủ quang học, vật liệu gia cố polymer, mực in chức năng, cảm biến và pin.

2. Cellulose nano sợi (CNF - Cellulose Nanofibers)

CNF (hay còn gọi là MFC - Microfibrillated Cellulose) là các sợi dài, linh hoạt có chứa cả phần tinh thể và vô định hình. CNF được sản xuất bằng phương pháp nghiền cơ học (grinding, homogenizing), xử lý enzyme hoặc kết hợp với xử lý hóa học như oxi hóa TEMPO.

Thông số kỹ thuật phổ biến của CNF:

• Đường kính: 5–50 nm
• Chiều dài: lên đến vài micromet
• Diện tích bề mặt: > 100 m²/g

Đặc tính nổi bật:

• Dạng mạng lưới 3D linh hoạt, dẻo dai
• Tương thích với nhiều loại nhựa nền
• Có thể chức năng hóa bề mặt để tăng cường tính tương hợp với polymer hoặc hạt nano khác

CNF được ứng dụng trong giấy chịu lực cao, phim đóng gói sinh học, vật liệu xây dựng nhẹ, xi măng gia cường và màng lọc.

3. Vi khuẩn nanocellulose (BNC - Bacterial Nanocellulose)

BNC là loại nanocellulose được tổng hợp trực tiếp từ quá trình sinh học bởi các vi khuẩn như Gluconacetobacter xylinus. Loại này không chứa lignin, hemicellulose hay các tạp chất thực vật khác, do đó có độ tinh khiết rất cao và đặc tính sinh học ưu việt.

Đặc trưng của BNC:

• Đường kính sợi: 20–100 nm
• Độ tinh khiết: gần như tuyệt đối
• Khả năng giữ nước rất tốt (> 90%)

BNC chủ yếu được sử dụng trong:

• Y tế: băng vết thương, tái tạo mô, màng lọc sinh học
• Dược phẩm: dẫn thuốc, màng kiểm soát giải phóng hoạt chất
• Thực phẩm: phụ gia tạo cấu trúc, lớp màng ăn được

Tính chất vật lý, hóa học và cơ học

Nhờ kích thước nano và cấu trúc phân tử tổ chức cao, nanocellulose mang nhiều tính chất nổi bật:

Cơ học:

• Mô đun Young cao (CNC: 100–150 GPa; CNF: 20–50 GPa)
• Độ bền kéo tương đương hoặc cao hơn thép, nhẹ hơn nhiều lần

Hóa học:

• Nhiều nhóm hydroxyl (-OH) trên bề mặt, dễ chức năng hóa
• Khả năng liên kết với polymer, hạt nano, thuốc hoặc enzyme

Quang học:

• Trong suốt ở trạng thái màng mỏng
• CNC có khả năng tạo vân màu phản xạ (structural color) không cần phẩm nhuộm

Phân hủy sinh học và tương thích sinh học:

• Phân hủy hoàn toàn trong môi trường tự nhiên hoặc bằng enzyme
• Không gây độc tế bào, có thể sử dụng trong y tế và thực phẩm

Ứng dụng trong thực tế

Nanocellulose đang được ứng dụng và thử nghiệm trên quy mô lớn trong nhiều ngành công nghiệp:

1. Công nghiệp bao bì và nhựa sinh học

• Gia cố cơ học cho nhựa phân hủy sinh học (PLA, PHA...)
• Làm màng chống oxy và hơi nước cho bao bì thực phẩm

2. Y tế và dược phẩm

• Băng vết thương thông minh, kiểm soát độ ẩm và kháng khuẩn
• Màng dẫn thuốc: kiểm soát tốc độ giải phóng
• Chất mang trong cấy ghép hoặc mô sinh học

3. Điện tử và năng lượng

• Chất nền dẫn điện cho màn hình dẻo
• Điện cực cho siêu tụ điện và pin lithium-ion
• Màng điện môi cho cảm biến mỏng

4. Vật liệu xây dựng

• Xi măng gia cường nhẹ, tăng độ bền
• Chất phụ gia cho sơn hoặc vật liệu cách nhiệt

5. Công nghệ lọc và xử lý nước

• Làm màng siêu lọc hoặc màng thẩm thấu ngược
• Chất hấp phụ ion kim loại nặng hoặc thuốc trừ sâu

Thách thức trong phát triển và thương mại hóa

Mặc dù tiềm năng lớn, nanocellulose vẫn đối mặt với nhiều thách thức:

• Chi phí sản xuất cao: đòi hỏi năng lượng, hóa chất và thiết bị chuyên dụng
• Khó khăn trong quy trình phân tán đồng đều vào nền polymer
• Thiếu tiêu chuẩn hóa trong chất lượng sản phẩm và phương pháp đo lường
• Vấn đề an toàn khi sử dụng ở quy mô lớn trong thực phẩm hoặc y học vẫn đang được nghiên cứu

Các tổ chức và công ty nghiên cứu nanocellulose

Nhiều quốc gia và công ty đã đầu tư nghiên cứu và sản xuất nanocellulose:

• CelluForce (Canada) – nhà sản xuất CNC thương mại đầu tiên trên thế giới
• RISE Research Institutes of Sweden – trung tâm nghiên cứu CNF và BNC
• USDA Forest Products Laboratory – phát triển nanocellulose cho vật liệu và bao bì

Kết luận

Nanocellulose là vật liệu sinh học thế hệ mới với nhiều ưu điểm vượt trội về cơ học, sinh học và môi trường. Dù vẫn còn một số rào cản trong sản xuất và tiêu chuẩn hóa, xu hướng nghiên cứu và ứng dụng nanocellulose đang tăng nhanh nhờ tiềm năng thay thế các vật liệu truyền thống không bền vững. Từ bao bì phân hủy sinh học đến y học tái tạo và điện tử dẻo, nanocellulose hứa hẹn đóng vai trò trung tâm trong nền công nghiệp xanh của tương lai.

Tài liệu và liên kết tham khảo

• CelluForce – Nhà sản xuất CNC thương mại
• Nanocellulose: A new bio-based nanomaterial for industrial applications
• USDA Nanocellulose Research Center
• Applications of Nanocellulose in Biomedicine – ACS Publications