نانوسلولز فراوان‌ترین منبع زیست‌توده روی زمین است. این ماده مزایایی از جمله تجزیه آسان، تجدیدپذیری، غیرسمی بودن، ارزانی و سهولت در تهیه را دارد. انتظار می‌رود جایگزین منابع پتروشیمی سنتی شود و برای تولید مواد کاربردی پیشرفته مختلف با ارزش افزوده بالا مورد استفاده قرار گیرد. بر اساس روش‌های تهیه و منابع نانوسلولز، نانوسلولزها را می‌توان به سه دسته تقسیم کرد: نانوکریستال سلولز (CNC)، نانوفیبر سلولز (CNF) و سلولز باکتریایی (BC).

شکل 1. منابع، ریزساختار و کاربردهای بالقوه نانوسلولز

مواد کاربردی نانوسلولز برای فوتونیک کایرال

کایرالیته در طبیعت فراگیر است و نقش مهمی در علوم زیستی و علوم مواد ایفا می‌کند. CNC نوعی ماده کریستال فوتونی کایرال در مقیاس نانو است. ساختار فاز کریستال مایع نماتیک کایرال CNC نه تنها می‌تواند برای تهیه مواد غشایی کاربردی با خواص مکانیکی بالا و خواص نوری ویژه مورد استفاده قرار گیرد، بلکه می‌تواند به عنوان یک الگوی نرم برای القای نانوذرات به تشکیل مواد کاربردی با ساختار کایرال نیز مورد استفاده قرار گیرد. بنابراین، کاتالیز کایرال، متامواد کایرال، رمزگذاری قطبش و حسگرهای زیستی کاربردهای مهمی دارند.

شکل 2. کاربردهای مواد عاملی نانوسلولز در فوتونیک کایرال

مواد کاربردی نانوسلولز برای درایورهای نرم‌افزاری

در سال‌های اخیر، دانشمندان بر اساس مواد نرم مختلف مشتق شده از پلیمرهای مصنوعی، مانند هیدروژل‌های معمولی، الاستومرهای کریستال مایع و پلیمرهای حافظه شکلی، هوشمندانه انواع محرک‌های هوشمند بیومیمتیک را طراحی کرده‌اند تا رفتار حرکتی موجودات زنده را تقلید یا حتی از آن فراتر ببرند. با این حال، این مواد سنتی مبتنی بر پلیمر اغلب از طریق فرآیندهای پیچیده سنتز می‌شوند، پرهزینه و تجزیه یا بازیافت آنها دشوار است، که ممکن است بار خاصی را بر محیط زیست تحمیل کند. شایان ذکر است که محرک‌های نرم‌افزاری بیومیمتیک مبتنی بر نانوسلولز به دلیل انعطاف‌پذیری مکانیکی برتر، توانایی بالای جذب رطوبت، پایداری یا سازگاری با محیط زیست، قابل استفاده مجدد یا زیست تخریب‌پذیر بودن، توجه بیشتری را به خود جلب کرده‌اند.

شکل 3. کاربرد مواد کاربردی مبتنی بر نانوسلولز در حوزه درایور نرم‌افزار

مواد کاربردی نانوسلولز برای ذخیره انرژی

به دلیل مساحت سطح ویژه بزرگ، انعطاف‌پذیری مکانیکی عالی، پایداری شیمیایی خوب و سازگاری با محیط زیست، و همچنین درهم‌تنیدگی بین الیاف، نانوسلولز به راحتی می‌تواند یک ساختار متخلخل تشکیل دهد که انتقال یون و الکترون را تسهیل می‌کند. گروه‌های عاملی آبدوست مانند گروه‌های هیدروکسیل و کربوکسیل به سطح فیبر متصل هستند و قابلیت مرطوب‌کنندگی خوبی در محلول الکترولیت دارند که باعث می‌شود مواد عملکردی مشتق‌شده، چشم‌انداز کاربرد گسترده‌ای در زمینه ذخیره‌سازی انرژی داشته باشند. مواد عملکردی مبتنی بر نانوسلولز نه تنها می‌توانند به عنوان اجزایی در دستگاه‌های ذخیره‌سازی انرژی مانند غشاها، الکترولیت‌ها، چسب‌ها و حامل‌ها استفاده شوند. در عین حال، کربنیزاسیون در دمای بالا، پلیمریزاسیون شیمیایی درجا و رسوب الکتروشیمیایی را می‌توان برای ترکیب مواد الکتروفعال برای به دست آوردن نانوساختارهای ظریف‌تر و خواص الکتروشیمیایی عالی استفاده کرد.

شکل ۴. کاربرد مواد کاربردی مبتنی بر نانوسلولز در زمینه ذخیره‌سازی انرژی

مواد کاربردی نانوسلولز برای کاربردهای زیست پزشکی

در حالت خشک، خواص مکانیکی نانوسلولز با خواص استخوان‌های انسان قابل مقایسه است، در حالی که در حالت مرطوب، خواص فیزیکوشیمیایی نانوسلولز مشابه خواص ماتریکس خارج سلولی است. در عین حال، علاوه بر خواص فیزیکی و شیمیایی عالی، نانوسلولزها سازگاری بالایی با سایر پلیمرها یا مواد کاربردی دارند که باعث می‌شود مواد کاربردی مبتنی بر نانوسلولز از ارزش عملی خوبی برخوردار باشند و چشم‌انداز کاربرد گسترده‌ای در حوزه زیست‌پزشکی داشته باشند.

شکل 5. کاربردهای مواد کاربردی مبتنی بر نانوسلولز در حوزه زیست‌پزشکی