Nanofibril cellulose là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Định nghĩa nanofibril cellulose

Nanofibril cellulose (NFC), còn gọi là cellulose nanofibrils, là một dạng vật liệu sinh học có cấu trúc nano được tạo ra từ cellulose tự nhiên – thành phần chủ yếu cấu tạo nên thành tế bào thực vật. NFC bao gồm các sợi cellulose có kích thước siêu nhỏ, với đường kính từ 5 đến 100 nanomet và chiều dài có thể lên tới vài micromet, tạo thành một mạng sợi mảnh, mềm dẻo và có diện tích bề mặt rất lớn.

Khác với cellulose thông thường tồn tại ở dạng vi mô hoặc sợi bột gỗ, NFC có tỷ lệ chiều dài trên đường kính rất cao, tạo ra độ bền kéo lớn và khả năng tạo gel đặc trưng. Các đặc tính này khiến NFC trở thành một loại vật liệu tiềm năng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng công nghệ cao. Vì có nguồn gốc thực vật và khả năng phân hủy sinh học, NFC cũng là giải pháp thay thế hấp dẫn cho các vật liệu hóa dầu truyền thống.

NFC không phải là một hợp chất mới mà là một dạng cấu trúc vi mô cao cấp của cellulose. Nó mang các đặc tính cơ học nổi bật của cellulose tinh thể, đồng thời vẫn giữ được tính linh hoạt và độ dẻo của mạng lưới phân tử cellulose không tinh thể. Chính sự kết hợp giữa độ bền, độ trong suốt, khả năng giữ nước và tính tương thích sinh học đã đưa NFC trở thành một trong những vật liệu nền quan trọng cho công nghệ vật liệu xanh.

Phân biệt NFC với các dạng nano-cellulose khác

Cellulose tồn tại ở cấp độ nano dưới ba dạng chính là cellulose nanocrystals (CNC), cellulose nanofibrils (CNF hoặc NFC), và bacterial nanocellulose (BNC). Mặc dù đều có nguồn gốc từ cellulose, ba loại này khác nhau về cấu trúc, phương pháp sản xuất, và đặc tính ứng dụng. Phân biệt rõ ràng giữa chúng là yếu tố then chốt trong nghiên cứu và phát triển sản phẩm vật liệu sinh học.

NFC là mạng sợi có cấu trúc dài, không đồng nhất về kích thước và chứa cả phần tinh thể và phi tinh thể. CNC có hình que ngắn, được tinh chế chủ yếu bằng thủy phân axit mạnh như axit sulfuric, với mức độ kết tinh cao hơn và độ bền cơ học theo trục tốt hơn, nhưng lại giòn và ít dẻo. BNC, trong khi đó, là loại cellulose được tổng hợp trực tiếp bởi vi khuẩn (chẳng hạn Acetobacter xylinum), có độ tinh khiết và khả năng tạo màng rất cao nhưng quy trình sản xuất hạn chế về quy mô.

Dưới đây là bảng so sánh ba loại cellulose ở cấp độ nano:

Loại nano-cellulose	Hình dạng	Phương pháp sản xuất	Đặc điểm nổi bật
Nanofibril Cellulose (NFC)	Sợi dài, không đồng nhất	Nghiền cơ học, enzyme, TEMPO	Dẻo, độ nhớt cao, tạo gel tốt
Cellulose Nanocrystals (CNC)	Que ngắn, tinh thể cao	Thủy phân axit	Bền kéo cao, ít dẻo, lắng nhanh
Bacterial Nanocellulose (BNC)	Mạng 3D dạng màng	Nuôi cấy vi sinh	Siêu tinh khiết, độ bền màng cao

Nguồn nguyên liệu và quá trình sản xuất

NFC được sản xuất chủ yếu từ các nguồn sinh khối giàu cellulose như gỗ mềm (như thông), gỗ cứng (như bạch đàn), sợi tre, bã mía, rơm rạ, giấy tái chế hoặc thậm chí cả tảo biển. Việc sử dụng nguồn nguyên liệu tái tạo và sẵn có giúp NFC trở thành lựa chọn bền vững trong ngành vật liệu sinh học. Ngoài ra, nguồn nguyên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc, độ kết tinh và tính chất cơ học của NFC thành phẩm.

Quy trình sản xuất NFC thường gồm hai giai đoạn: tiền xử lý và phân tách cơ học. Tiền xử lý nhằm loại bỏ lignin, hemicellulose và làm yếu liên kết giữa các sợi cellulose thông qua xử lý hóa học (ví dụ: NaOH, H₂O₂), enzyme (cellulase) hoặc oxi hóa TEMPO. Bước này giúp giảm năng lượng tiêu thụ ở giai đoạn sau và kiểm soát kích thước sợi.

Sau tiền xử lý, hỗn hợp được xử lý cơ học bằng các thiết bị như máy nghiền đĩa, đồng hóa áp lực cao (high-pressure homogenizer), máy nghiền bi hoặc siêu âm để tạo ra mạng lưới sợi nano. Hiệu suất của quá trình này phụ thuộc vào thời gian nghiền, áp suất, pH, nhiệt độ và tính chất của nguyên liệu đầu vào. Một phản ứng thường được sử dụng trong tiền xử lý bằng oxi hóa TEMPO có thể được biểu diễn như sau:

\ce{R-CH2OH + NaClO + TEMPO ->[pH\approx10] R-COOH + NaCl + H2O}

Cấu trúc và tính chất của NFC

NFC có cấu trúc sợi nano linh hoạt, với hàm lượng phần amorphous (phi tinh thể) cao hơn so với CNC, tạo nên tính chất dẻo và khả năng tạo màng tốt. Các fibril có khả năng tạo mạng 3D, giữ nước mạnh, và dễ phân tán trong nước. Diện tích bề mặt riêng có thể đạt tới 200–300 m²/g, mở ra nhiều ứng dụng trong hấp phụ, dẫn thuốc và làm vật liệu gia cường.

Tính chất cơ học của NFC đặc biệt ấn tượng: độ bền kéo có thể vượt quá 100 MPa, tương đương hoặc hơn cả một số loại thép tính theo khối lượng riêng. Ngoài ra, độ trong suốt và khả năng dẫn ánh sáng của màng NFC khiến vật liệu này trở nên lý tưởng cho các ứng dụng quang học và điện tử mềm.

Một số đặc tính nổi bật của NFC bao gồm:

• Khả năng phân tán tốt trong nước và dung môi phân cực
• Độ bền kéo cao và mô đun đàn hồi lớn
• Tính kết dính và tạo màng mạnh
• Thân thiện sinh học, không độc hại
• Phân hủy sinh học trong điều kiện tự nhiên

Chính nhờ tập hợp các tính chất vượt trội đó, NFC đang ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực từ vật liệu đóng gói, dược phẩm, thiết bị điện tử cho đến y sinh học.

Ứng dụng của nanofibril cellulose

Nanofibril cellulose (NFC) đang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp và khoa học nhờ vào những đặc tính vật lý – hóa học nổi bật như độ bền cơ học cao, khả năng tạo màng, độ nhớt cao và tính phân hủy sinh học. Những tính chất này giúp NFC trở thành một thành phần chiến lược trong các vật liệu mới thân thiện với môi trường và hiệu suất cao.

Trong ngành đóng gói, NFC được sử dụng để sản xuất màng sinh học thay thế nhựa. Các màng này có khả năng ngăn khí tốt (oxygen barrier), giữ được độ bền trong môi trường ẩm và có thể phân hủy trong tự nhiên. Khi được kết hợp với các chất hoạt tính sinh học, màng NFC còn có thể trở thành vật liệu đóng gói kháng khuẩn dùng trong thực phẩm.

Trong lĩnh vực y sinh, NFC là nền tảng để chế tạo màng chữa lành vết thương, vật liệu dẫn thuốc hoặc khung sinh học (scaffold) cho tái tạo mô. Nhờ tương thích sinh học và khả năng hấp phụ nước cao, NFC giúp duy trì môi trường ẩm và đẩy nhanh quá trình liền sẹo. Các dạng hydrogel từ NFC cũng được dùng làm vật liệu dẫn tế bào hoặc enzyme trong kỹ thuật sinh học.

Trong điện tử mềm và in ấn chức năng, NFC là vật liệu nền tiềm năng cho giấy điện tử, cảm biến sinh học, pin linh hoạt và thiết bị lưu trữ năng lượng. Khả năng tạo màng mỏng, trong suốt và bền cơ học giúp NFC thích hợp để tích hợp với vật liệu dẫn điện như bạc nano, graphene hoặc polymer dẫn.

Một số ứng dụng thực tiễn của NFC bao gồm:

• Màng NFC trong bao bì sinh học chống ẩm và chống oxy hóa
• NFC làm phụ gia tăng độ bền và dẻo cho nhựa PLA, PHA
• NFC trong mực in chức năng và cảm biến áp suất
• Hydrogel NFC dùng làm lớp nền dưỡng da hoặc dẫn thuốc

Hiện tại, các công ty như UPM-Kymmene (Phần Lan), Nippon Paper Group (Nhật Bản), Stora Enso và CelluForce (Canada) đã đưa NFC vào sản xuất thương mại trong nhiều sản phẩm như giấy chống dầu, sơn gốc nước, mực in sinh học, và vật liệu gia cường nhẹ.

Khả năng phân hủy sinh học và an toàn môi trường

Là sản phẩm có nguồn gốc tự nhiên, NFC không gây tích tụ sinh học và có khả năng phân hủy hoàn toàn dưới điều kiện môi trường thông thường. Các enzyme như cellulase có thể phân giải NFC thành glucose – một loại đường đơn có thể được hấp thụ hoặc chuyển hóa bởi vi sinh vật, thực vật và động vật. Quá trình này không để lại vi nhựa hay độc tố, không làm tổn hại đến hệ sinh thái.

Tính an toàn sinh học của NFC đã được xác nhận trong nhiều nghiên cứu. Theo một công bố trên tạp chí Cellulose và dữ liệu của National Center for Biotechnology Information (NCBI), NFC không gây phản ứng viêm cấp tính trong thử nghiệm tế bào người, không độc gen và không gây tác dụng phụ trên hệ miễn dịch. Đây là yếu tố đặc biệt quan trọng khi NFC được dùng trong lĩnh vực y sinh và tiếp xúc thực phẩm.

Khả năng phân hủy sinh học cũng giúp NFC phù hợp với các chiến lược phát triển kinh tế tuần hoàn và giảm thiểu rác thải nhựa. So với nhựa gốc dầu mỏ, NFC tiêu tốn ít năng lượng hơn trong sản xuất, không phát thải CO₂ độc hại và có thể được tái chế hoặc thải bỏ dễ dàng trong các hệ thống xử lý sinh học hiện hành.

Thách thức trong thương mại hóa NFC

Dù tiềm năng lớn, việc thương mại hóa NFC vẫn còn nhiều trở ngại. Thách thức lớn nhất là chi phí sản xuất cao, đặc biệt là tiêu hao năng lượng trong giai đoạn nghiền cơ học. Quá trình này đòi hỏi thiết bị công suất lớn, áp suất cao và kiểm soát chặt chẽ về nhiệt độ, độ pH và tốc độ nghiền. Điều này làm tăng chi phí vận hành và hạn chế quy mô sản xuất đại trà.

Bên cạnh đó, việc kiểm soát độ đồng đều về kích thước sợi, độ kết tinh và tính chất bề mặt của NFC cũng là vấn đề kỹ thuật chưa được giải quyết triệt để. NFC có xu hướng tạo gel hoặc kết tụ trong môi trường nước khi vượt quá nồng độ giới hạn, gây khó khăn trong vận chuyển và xử lý công nghiệp.

Các yêu cầu nghiêm ngặt về tiêu chuẩn vật liệu, an toàn sinh học và hiệu suất trong từng ngành (y tế, thực phẩm, điện tử) cũng làm tăng thời gian kiểm định và phát triển sản phẩm ứng dụng. Ngoài ra, do NFC là vật liệu mới, hệ sinh thái thị trường và hạ tầng sản xuất còn chưa hoàn chỉnh, dẫn đến rào cản đầu tư cho doanh nghiệp nhỏ và vừa.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển tương lai

Nghiên cứu hiện nay đang tập trung vào tối ưu hóa quy trình sản xuất NFC theo hướng tiết kiệm năng lượng và thân thiện với môi trường. Các công nghệ tiên tiến như nghiền bằng siêu âm, xử lý enzyme chọn lọc hoặc biến tính hóa học bề mặt đang được ứng dụng để nâng cao hiệu suất phân tách và kiểm soát chất lượng sản phẩm.

Một xu hướng nổi bật là tích hợp NFC với các vật liệu khác để tạo thành vật liệu lai (hybrid materials) có tính năng nâng cao, chẳng hạn:

• NFC + graphene: tăng tính dẫn điện, tạo vật liệu cho cảm biến, pin linh hoạt
• NFC + nano bạc: tạo màng kháng khuẩn cho y tế
• NFC + polyme sinh học: tăng độ bền, khả năng phân hủy trong đóng gói

Các quốc gia như Phần Lan, Nhật Bản và Canada đang dẫn đầu trong việc phát triển NFC nhờ đầu tư vào nghiên cứu cơ bản, chính sách hỗ trợ vật liệu sinh học và mạng lưới doanh nghiệp – viện nghiên cứu. Các trung tâm như Cellulose from Finland đang hoạt động như nền tảng mở kết nối chuyên gia, doanh nghiệp và nhà hoạch định chính sách để đẩy nhanh quá trình ứng dụng NFC vào thực tiễn.

Tài liệu tham khảo

1. Moon, R. J., Martini, A., Nairn, J., Simonsen, J., Youngblood, J. (2011). Cellulose nanomaterials review: structure, properties and nanocomposites. Chemical Society Reviews, 40(7), 3941–3994.
2. NCBI. Toxicological evaluation of nanocellulose. National Center for Biotechnology Information.
3. VTT Technical Research Centre of Finland. www.vttresearch.com.
4. Cellulose from Finland. cellulosefromfinland.fi.
5. Shatkin, J. A., Wegner, T. H., Bilek, E. M., Cowie, J. (2014). Market projections of cellulose nanomaterial-enabled products. TAPPI Journal, 13(5), 9–16.
6. Fastmarkets RISI. www.risiinfo.com.