Nanoselüloz, günümüzde gittikçe önem kazanan doğal kaynaklı bir malzemedir. Doğada çözünebilir aktif kimyasal yapısı ve güçlü mekanik özellikleri bilim dünyasının dikkatini çekmekte ve farklı araştırmalara konu olmaktadır. 

Nanoselülozun en önemli varyasyonları selüloz nanokristal (CNC), selüloz nanofiber (CNF) ve nanoselüloz / polimer nanokompozitleridir. Bu malzemeler medikal uygulamalardan uzay aracı parçalarına kadar birçok farklı uygulamada kullanılmaktadır. Nanoteknoloji ve malzeme bilimi alanlarında son gelişmelere uygun olarak ileri malzeme teknolojileri ve çözümleri sunan Nanografi’nin ürünlerini şimdi inceleyin.

Giriş

Bitki, bakteri ve alglerin en önemli yapı taşlarından biri olan selüloz, doğada bol miktarda bulunan polimerik bir hammaddedir. Selülozun yapısı birbirine bağlanmış d-glikoz birimlerinden oluşur. Düz halkalı bu yapısal polimer bükülmez, hidrofobik, doğada çözünebilir, kiral, yarı-kristal özellikler ve yüksek kimyasal aktivite gösterir. Düz halkalı selüloz fiberlerinde belirli aralıkla kristal ve amorf yapılar bulunmaktadır. Kristal yapı gösteren selüloz kısımları daha sert bir yapı gösterir ve güçlü hidrojen bağları içermektedir. Buna karşılık amorf kısımlar daha zayıf moleküller arası bağlara sahiptir. Nanoselüloz olarak isimlendirilen malzemeler ise selüloz fiberlerinin nano ölçülere indirgenmiş yapıları kapsar. Nanoteknolojinin gelişimi ve artan çevresel sorunlarla beraber bilim dünyasını ilgisini çekmeye başlayan nanoselüloz üzerine yapılan çalışmalar yaklaşık 35-40 yıl önce başlamış ve hızlanarak devam etmektedir. Nanoselüloz özellikle mekanik dayanıklılığı ile dikkat çekmekte ve potansiyel bir yapısal katkı maddesi olarak görülmektedir.

Nanoselüloz Nedir ve Neden Önemlidir?

Nanoselüloz, ucuz hammadde ve selülozun kolay işlenilebilirliği sayesinde çoğu endüstriyel malzemeye göre daha ucuz ve basit bir üretüm sürecinden geçer. Nanoselüloz üretiminde selülozun yapısından bulunan amorf kısımların zayıflığından yararlanılmaktadır. Nanoselüloz üretiminin ilk aşaması önişlem uygulayarak bu amorf kısımların koparılmasını içerir ve görece basit bir işlem olarak bilinmektedir. Üretiminde selüloz parçalayıcı enzimler veya asit hidroliz yöntemi kullanılabileceği gibi yeni geliştirilen çevre dostu yöntemlerle enzime olan ihtiyaç da kaldırılmıştır. Basınçlı su ile yaratılan türbülanslı ortamda selüloz fiberleri kolaylıkla nanoselüloz haline getirilebilmektedir. Nanoselülozun en önemli özelliklerinden biri de doğal kaynaklı ve doğada çözünebilir olduğu için çevre dostu bir malzeme olmasıdır. Günümüzde endüstride kullanılan birçok kimyasala alternatif olarak gösterilen nanoselüloz, yeşil üretimin önemli parçalarından biri olma yolunda ilerlemektedir. Nanoselülozun yapısında bulunan hidroksil grupları bu malzemenin en çekici özelliklerinden biri olan yüksek kimyasal aktiviteden sorumludur. Bağ yapmaya oldukça istekli olan bu aktif gruplar nanoselülozun diğer malzemeler ile kolayca bağ kurabilmesini ve çeşitli kompozit yapılar oluşturabilmesini sağlar.

Şekil 1: Bitki hücre duvarının mikro yapısı ve selüloz bileşenleri.

Nanoselüloz Varyasyonları Nelerdir?

Araştırılmaya başlandığı zamandan beri nanoselülozun farklı varyasyonları geliştirilmiştir. Bu nanoselüloz varyasyonları farklı özellikler göstermekte ve bu yüzden çeşitli amaçlar için kullanılmaktadır. En sık araştırılıp kullanılan nanoselüloz varyasyonları selüloz nanokristal, selüloz nanofibre ve selüloz nanokompozitleridir.

Selüloz Nanokristal (CNC'ler)

Selüloz nanokristaller en önemli ve üzerine en çok araştırma yapılmış nanoselüloz varyasyonlarından biridir. Bazı kaynaklarda selüloz nanokristallerden “kılsı (whiskers)” olarak da bahsedilmektedir. Selüloz nanokristaller, selüloz fiberlerdeki amorf kısımların koparılıp uzaklaştırılmasıyla elde edilmektedir. Geride kalan nanokristaller, çubuk şeklinde sıkı bir yapıya sahiptir. Genişliği 5-70 nm arasında değişen nanokristallerin uzunluğu 100-500 nm arasında değişmektedir. Selüloz nanokristallerin en önemli özelliklerinden biri de uzunluğun genişliğe oranıdır. En-boy oranı (aspect ratio) olarak bilinen bu oran nanokristallerin özelliklerini oldukça etkilemektedir. En-boy oranı düşük olan nanokristallerin daha iyi mekanik özellikler gösterdiği bilinmektedir. Bu nedenle yapısal katkı maddesi olarak kullanılacak selüloz nanokristallerinde önemli bir kriter olarak kullanılmaktadır.

Nanokristallerin mekanik özelliklerini deneysel olarak gözlemlemek bazı teknolojik kısıtlamalar nedeniyle kolay bir proses olmasa da araştırmacılar bu konuda teorik ve deneysel testleri bir arada kullanarak etkileyici sonuçlara ulaşmıştır. Selüloz nanokristallerin teorik olarak çekme direnci 7,5-7,7 GPa olarak hesaplanmıştır. Bu değer çelik tel ve Kevlar’ın çekme direncinden yüksek olmasıyla dikkat çekmektedir. Yapılan deneysel testler sonucu ise selüloz nanokristallerin plastik modülü yaklaşık 150 GPa enine elastisite modülü ise 18-50 GPa olarak raporlanmıştır. Nanokristallerin yapısal özellikleri, kullanılan hammadde ve üretim parametrelerine göre değişebilmektedir. Farklı hammaddelerden alınan selüloz fiberleri farklı kristallenme dereceleri gösterdiği için elde edilen ürünün kalitesi de hammaddeye bağlı olarak değişebilmektedir. 

Selüloz nanokristaller fiziksel ve morfolojik özelliklerinden kaplamalarda, uzay endüstrisinde, yapıştırıcılarda ve polimer katkı maddesi olarak yararlanılmaktadır. Aktif kimyasal yapıları ve fiziksel dayanıklılıkları ise membran filtrelerin ve çevre dostu katalizörlerin geliştirilmesinde kullanılmaktadır. Ayrıca, selüloz nanokristaller biyolojik sistemlere uygunluğu, aktif kimyasal yapıları ve yüksek yüzey alanları nedeniyle medikal uygulamalarda da dikkat çekmektedir. Selüloz nanokristallerinden yararlanılan medikal uygulamalar, ilaç taşıyıcı sistemler, biyosensörler, mikrobiyal ilaçlar, antibakteriyel ürünler, yapay deri ve kan damarları gibi birçok alanı içermektedir.

Organik, maliyet etkin ve dayanıklı bir malzeme olan nanoselüloz ile ilgili daha detaylı bilgi için, blog yazımızı okuyun. 

Selüloz Nanofiber (CNT'ler)

Bir diğer ilgi çeken nanoselüloz varyasyonu ise selüloz nanofiberdir. Selüloz fiberlerinin daha küçük parçalara ayrılıp genişliklerinin nano boyutlara getirilmesi ile elde edilen selüloz nanofiberler birçok araştırmaya konu olmuştur. Selüloz nanofiber, farklı selüloz hammaddelerinden mekanik veya kimyasal ve mekanik bazlı proseslerin birlikte kullanılmasıyla elde edilebilir. En yaygın kullanılan mekanik üretim yöntemleri homojenleştirme, öğütme ve rafinasyon yöntemleridir. Bu yöntemler basit olmaları ve endüstriyel boyutlara uyarlanabilmeleri nedeniyle avantajlıdır fakat yüksek enerji ihtiyacı en büyük sorun olarak uygulayıcıların karşısına çıkmaktadır. Kuru haldeki selülozdan nanofiber üretimi mümkün olsa da bu işlem kristal yapıda bozulmalara, polimerizasyon derecesinin ve en-boy oranının azalmasına neden olmaktadır. Bu sebeple, selüloz nanofiber üretimi genellikle sulu bir ortanda yapılır. Proses sırasında su kullanılması hidrojen bağlarını zayıflatarak nanofiber üretimine yardımcı olur. Selüloz nanofiber üretimindeki en büyük problem olarak belirtilen yüksek enerji ihtiyacı, kimyasal önişlemler uygulanarak azaltılabilmektedir. En sık kullanılan kimyasal önişlemler 2,2,6,6-tetramethylpiperidine-N-oxyl (TEMPO)-aracılı oksidasyon, enzimatik hidroliz ve periyodat-klorit oksidasyondur. Bu yöntemler kullanılarak selüloz fiberlerinin ayrıştırılması kolaylaştırılır.

Selüloz nanofiberlerin en dikkat çeken özellikleri düşük yoğunluklu yapıları, doğada çözünülebilirliği ve içerdiği çok sayıda hidroksil grubu ile yüzey fonksiyonlandırmasına yatkın olmasıdır. Selüloz nanofiberler, yapılarında hem amorf hem de kristal yapıda kısımlar bulundurduğu için nanokristallere oranla daha esnektir. Yapılan karşılaştırmalı çalışmalara göre nanofiberler daha iyi mekanik dayanıklılık göstermektedir. Nanokristallere benzer şekilde en-boy oranı nanofiberler için önemli bir kriterdir. Fakat nanokristallerin aksine yüksek en-boy oranı nanofiberler için daha iyi mekanik dayanıklılık anlamına gelmektedir. Selüloz nanofiberler genellikle nanokristallerden daha büyük bir genişliğe ve uzunluğa sahiptir. Kullanım amacına göre nanofiberler farklı farklı formlarda elde edilebilir. Selüloz nanofiberlerden geliştirilmiş popüler formlar süspansiyonlar, tozlar, hidrojeller, aerojeller ve ince filmlerdir. Selüloz nanofiberlerin en çok karşımıza çıkan kullanım alanları biyomedikal uygulamalar, kağıt yapısını güçlendirme uygulamaları, kozmetik ürünler, emülsiyonlar, bataryalar ve kaplamalardır.

Selüloz Nanokompozitler

Selüloz nanofiber ve nanokristaller içeriklerinde bulunan hidroksil grupları nedeniyle kompozit yapılar oluşturmaya oldukça uygun malzemelerdir. Nanoselülozların bu özelliği birçok farklı kompozit materyalde kullanılmak amacıyla çalışmalara konu olmuştur fakat en öne çıkan nanoselüloz kompozit uygulaması nanoselüloz / polimer kompozitleridir. Nanoselüloz varyasyonları, hidrofilik ve hidrofobik birçok farklı polimer ile birleştirilerek nanokompozit malzemeler oluşturulabilir. Nanofiber ve nanokristaller birçok polimerin mekanik özelliklerini iyileştirmek amacıyla polimer yapılara dahil edilir ve böylece güçlü ve çok fonksiyonlu bir kompozit yapı oluşturulur. Nanoselülozun transparan yapısı ise bu kompozitlerde polimerin orijinal görünümünü koruduğu için ekstra bir avantaj olarak görülür. Nanoselüloz varyasyonları, nanokompozitlerde genellikle dolgu veya katkı maddesi olarak kullanılırken polimer malzemeler matris fazı olarak kullanılmaktadır. Kompozit üretiminin en önemli aşamalarından biri nanoselülozun polimer matris içerisine homojen olarak dağıtılmasıdır. Nanokompozit materyallerin potansiyel özelliklerini en iyi ortaya koyabilmesi için homojen nanoselüloz dağılımı oldukça önemlidir.

Nanoselüloz / polimer nanokompozitler daha çok polimer malzemelerin mekanik özelliklerini iyileştirmek için geliştirilmiş olsa da farklı amaçlara da hizmet edebilmektedir. Bunlardan en önemlisi de polimerin bariyer özelliğini arttırmaktır. Nanoselülozun varlığı oksijen, nem veya organik bileşikler gibi istenmeyen maddelerin polimer bazlı paketleme malzemelerinden geçişini engellemeye yardımcı olmaktadır. Yiyecek ve içecek paketleri için oldukça önemli olan bu kriterin nanoselüloz gibi doğada çözünebilir ve toksik etki göstermeyen bir malzeme ile sağlanabilmesi oldukça önemli bir gelişmedir.

Sonuç

Nanoselüloz, yeşil üretim ve uygulamalarda yararlanılan önemli bir doğal malzemedir. Yıllar içinde yapılan araştırmalarla üretim yöntemlerinin geliştirilmesi ve farklı uygulama alanlarının ortaya konması ile endüstri ve bilim dünyasında önemini arttırmış, birçok araştırmaya konu olmuştur. Bitki, alg ve bakterilerin yapı taşlarından biri olan selüloz yüksek mekanik dayanıklılığı ile dikkat çekmektedir. Doğal olarak, bu mekanik özellikler nano ölçekteki selüloz varyasyonlarının da en önemli özelliklerinden biridir. Nanoselülozun en sık araştırılan ve kullanılan varyasyonları, selüloz nanokristal ve nanofiberdir. Dayanıklı, hidrofobik, kolay bağ yapabilen ve transparan bu nanoparçacıklar birçok farklı alanda kullanılmaktadır. Bu nanoselüloz varyasyonları polimer nanokompozit uygulamalarında da sıklıkla kullanılmaktadır. Nanoselüloz bazlı bu malzemelerden ilaç taşıyıcı sistemler, biyosensörler, mikrobiyal ilaçlar, antibakteriyel ürünler, yapay deri ve kan damarları, kağıt yapısını güçlendirme uygulamaları, kozmetik ürünler, emülsiyonlar, bataryalar ve kaplamalar gibi birçok farklı uygulamada yararlanılmaktadır. Yapılan araştırma ve deneysel çalışmalar, nanoselülozun büyük bir potansiyele sahip olduğunu ve gelecekte farklı uygulamalarda da kullanılabileceğini göstermektedir.

Araştırmaları ve en son teknolojik gelişmeleri takip etmek için Blografi'yi ziyaret edin.

Kaynakça

Biyolojisitesi.net, Yaşam Bilimi Biyoloji, Canlıların Temel Bileşenleri, Canlıların Yapısında Bulunan Organik Bileşikler, Karbonhidratlar, Polisakkaritler, Selüloz. (n.d.). Retrieved February 19, 2024, from http://www.biyolojisitesi.net/uniteler/yasam-bilimi/seluloz.html

George, J., & Sabapathi, S. N. (2015). Cellulose nanocrystals: synthesis, functional properties, and applications. Nanotechnology, science and applications, 8, 45.

Kim, J. H., Shim, B. S., Kim, H. S., Lee, Y. J., Min, S. K., Jang, D., ... & Kim, J. (2015). Review of nanocellulose for sustainable future materials. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, 2(2), 197-213.

Mariano, M., El Kissi, N., & Dufresne, A. (2014). Cellulose nanocrystals and related nanocomposites: Review of some properties and challenges. Journal of Polymer Science Part B: Polymer Physics, 52(12), 791-806.

Nanoselüloz - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved February 19, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/nanoseluloz/

Nanoselüloz: Nanoteknolojinin Çevreci Yüzü - Nanografi - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved February 19, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/nanoselloz-nanoteknolojinin-evreci-yz-nanografi/

Nechyporchuk, O., Belgacem, M. N., & Bras, J. (2016). Production of cellulose nanofibrils: A review of recent advances. Industrial Crops and Products, 93, 2-25.

Rebouillat, S., & Pla, F. (2013). State of the art manufacturing and engineering of nanocellulose: a review of available data and industrial applications.

Sacui, I. A., Nieuwendaal, R. C., Burnett, D. J., Stranick, S. J., Jorfi, M., Weder, C., ... & Gilman, J. W. (2014). Comparison of the properties of cellulose nanocrystals and cellulose nanofibrils isolated from bacteria, tunicate, and wood processed using acid, enzymatic, mechanical, and oxidative methods. ACS applied materials & interfaces, 6(9), 6127-6138.