Nanoselüloz: Nanoteknolojinin Çevreci Yüzü - Nanografi

Nanoselüloz, selüloz nanofiberlerden oluşan bir bitki materyalidir. Bu nanofiberler uzunlamasına tübüler selüloz moleküllerinden oluşur, mikroskopik parçalara ayrılır ve ardından saflaştırılıp yeniden inşa edilir.  

Malzeme bilimi alanında öngörülen ilerlemeler, nanoselülozun organik ve çevre dostu olduğunu ve  yakın zamanda maliyet etkin ve dayanıklı bir kaynak olabileceğini göstermektedir. Yenilikçi bir yaklaşımla, araştırmacılar hindistancevizi kremi üretimiyle ilişkilendirilen bir bakteriyi kullanarak algleri nanoselüloza dönüştürmeyi başardı. Bu çığır açan madde, dünyamızda önemli bir paradigma değişikliği başlatma potansiyeline sahiptir. Nanografi'nin nanoselüloz  malzemelerini kullanılarak, daha hafif, daha güçlü ve daha çevreci ürünler geliştirebilir ve bu şekilde gelecek nesillerin yaşam kalitesini ve çevre sürdürülebilirliğini artırabilirsiniz.

Giriş

Nanoselüloz, doğal bir polimer olan selülozu nanometre ölçeğinde parçalayarak elde edilen bir malzemedir. Bu malzeme, selüloz fiberlerinin özelliklerini korurken nanometre ölçeğindeki yapısı nedeniyle benzersiz özelliklere sahiptir. Nano selüloz, yüksek mukavemet, düşük yoğunluk, geniş yüzey alanı ve yüksek kristalin yapı gibi özellikleriyle bilinir.

Nanoselülozun çeşitli uygulama alanları vardır. İlk olarak, nanokompozit malzemelerin üretiminde kullanılır. Polimer matrise nanoselüloz eklenerek, malzemenin mekanik ve termal özellikleri geliştirilir. Ayrıca, gıda endüstrisinde ambalaj malzemeleri, gıda katkı maddeleri ve yenilebilir filmler gibi uygulamaları bulunur.

Nanoselülozun önemli bir uygulama alanı da çevre dostu malzemelerin üretiminde kullanılmasıdır. Bu malzeme biyolojik olarak parçalanabilir özelliklere sahiptir ve plastiklerin yerine geçebilecek ekolojik alternatiflerin geliştirilmesine olanak sağlar. Ayrıca, tekstil endüstrisinde hafif ve dayanıklı kumaşların üretiminde kullanılır.

Sonuç olarak, nanoselüloz, benzersiz fiziksel ve kimyasal özelliklere sahip bir malzemedir ve farklı endüstrilerde çeşitli uygulama potansiyeline sahiptir. Kullanımı, çevre dostu ve sürdürülebilir malzeme seçeneklerinin geliştirilmesine katkıda bulunur.

Nanoselülozun Özellikleri 

• Hafif, güçlü ve rijit bir yapıya sahiptir ve ağırlığına göre direnç katsayısı yüksektir (paslanmaz çelikten sekiz kat daha dirençlidir),
• Sıcaklık değişimleri açısından stabil bir yapıya sahiptir,
• Şeffaf olması nedeniyle ilginç optik özelliklere sahiptir, 
• Isıyla nispeten az genleşir,
• Elektriği iletebilir,
• Ham maddesi bitkiler tarafından her yıl çok büyük miktarlarda üretilen selüloz türevidir, bu nedenle doğal olarak yenilenebilir ve çevre için faydalıdır.

Nanoselülozün Sınıflandırılması 

Nanoselüloz, özellikleri ve kaynaklarına bağlı olarak farklı tiplere ayrılabilir. Genel olarak, nanoselüloz üç ana tipe ayrılabilir: nanokristalin selüloz (NKS), mikrokristalin selüloz (MKS) ve bakteriyel selüloz (BS).

1. Nanokristalin Selüloz (NKS): NKS, doğal selüloz fiberlerinin kristalin yapılarını koruyarak kimyasal olarak parçalanmasıyla elde edilir. NKS, genellikle 5 ila 20 nanometre arasında değişen nano boyutlu kristal partiküllerinden oluşur. Genellikle polimer matrislere dahil edilerek malzemelerin mekanik ve termal özelliklerini artırmak için kullanılır. NKS, kaplamalar, kompozit malzemeler ve ileri teknoloji uygulamalarında potansiyel uygulamalara sahiptir.
2. Mikrokristalin Selüloz (MKS): MKS, doğal selüloz fiberlerinin mekanik veya enzimatik olarak parçalanmasıyla üretilir. NKS'ye kıyasla daha büyük boyutlara sahiptir ve genellikle 100 ila 300 nanometre aralığındadır. MKS yüksek viskozite, kristal yapı ve geniş bir yüzey alanına sahiptir. Gıda endüstrisinde, farmasötik uygulamalarda, kağıt üretiminde ve çeşitli malzemelerde takviye bileşeni olarak kullanılır.
3. Bakteriyel Selüloz (BS): BS, Gluconacetobacter xylinus veya Komagataeibacter xylinus gibi belirli asidik bakteriler tarafından üretilen özel bir nanoselüloz türüdür. BS yüksek saflık, kristal yapı, esneklik ve su emme kapasitesine sahiptir. Biyomedikal uygulamalarda, gıda endüstrisinde ve malzeme takviyesinde kullanılır. Nanoselüloz, nanokristalin selüloz (NKS), mikrokristalin selüloz (MKS) ve bakteriyel selüloz (BS) olarak sınıflandırılabilir. Her bir tip farklı özelliklere sahiptir ve çeşitli uygulama alanlarında kullanılabilir.

Nanoselüloz hakkında bilinmeyenleri öğrenmek için blog yazımızı okuyabilirsiniz.

Nanoselüloz Üretim Yöntemleri

Çeşitli endüstrilerde dikkat çeken çok yönlü ve sürdürülebilir bir nanomalzeme olan nanoselüloz, mekanik, optik ve bariyer özellikleri nedeniyle büyük ilgi görmektedir.

Mekanik yöntemler, selüloz fiberlerini fiziksel olarak parçalayarak nanoselüloz elde etmeyi içerir. Bu teknikler arasında yüksek basınçlı homogenizasyon, mikrofluidizasyon ve öğütme bulunur. Yüksek basınçlı homogenizasyonda selüloz fiberleri yol açar. Mikrofluidizasyon benzer bir prensibi kullanır, burada selüloz fiberleri dar kanallardan yüksek hızlarda geçirilerek nanoselüloza ayrılır. Öğütme teknikleri, mekanik kuvvetlerin kullanılmasını içerir ve selüloz fiberleri nanometre ölçeğine indirgemek için kullanılır. Bu yöntemler nispeten basit olmalarına rağmen genellikle büyük miktarda enerji gerektirir ve selüloz yapısına zarar verebilir. 

Kimyasal yöntemler, selüloz fiberlerinin kimyasal reaksiyonlar yoluyla modifikasyonunu içerir ve nanoselüloz üretir. Yaygın olarak kullanılan bir teknik asidik hidrolizdir, burada selüloz fiberleri güçlü asitlerle, örneğin sülfürik asit veya hidroklorik asit ile muamele edilerek nanoselüloza ayrıştırılır. Başka bir yaklaşım ise oksidatif yöntemdir, burada sodyum hipoklorit veya 2,2,6,6-tetrametilpiperidin-1-oksil (TEMPO) gibi güçlü oksitleyici maddeler kullanılarak selüloz selektif olarak parçalanır ve nanoselüloz elde edilir. Kimyasal yöntemler, nanoselülozun boyutu ve özellikleri üzerinde hassas kontrol sağlar, ancak sert kimyasalların kullanımı nedeniyle çevre açısından zararlı olabilir ve kapsamlı arıtma adımları gerektirebilir.

Enzimatik yöntemler, selüloz fiberleri selektif olarak nanoselüloza ayrıştırmak için selülaz gibi enzimleri kullanır. Bu enzimler, selülozda belirli bağları hedef alarak fiberlerin kontrollü ayrışmasına neden olurlar. Enzimatik yöntemler, kimyasal yaklaşımlara kıyasla daha çevre dostu olarak kabul edilir çünkü hafif reaksiyon koşullarında çalışır ve zararlı yan ürünler üretmezler. Bununla birlikte, daha yavaş olabilir ve yüksek verimler ve maliyet etkin üretim için optimize edilmeleri gerekebilir.

Şekil 1: Nanoselülozun üretiminde kullanılan gelişen teknolojiler.