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[[File:Sospensione di nanocellulosa.jpg|thumb|Sospensione di nanocellulosa ultrasonicata.]]
Il termine '''nanocellulosa''' ('''NC''') si riferisce ad estratti cellulosici o materiali trattati, aventi dimensioni strutturali su '''scala nanometrica'''.<ref>Abitbol, T., Rivkin, A., Cao, Y., Nanocellulose, a tiny fiber with huge applications. ''Current opinion in Biotechnology'' '''2016''', ''39'', 76-88.</ref>. Ci sono tre classi principali di nanocellulose: '''nanocristalli di cellulosa''' (CNC), '''cellulosa nanofibrillata''' (NFC), e '''nanocellulosa batterica''' (BNC), classificate in base alla loro morfologia e fonte .<ref>Thomas, B., Midhun C. R., Athira K. B., Rubiyah M. H., Nanocellulose, a Versatile Green Platform: From Biosources to Materials and Their Applications. ''Chem. Rev.'' '''2018''', ''118'', 11575−11625.</ref>. Le proprietà meccaniche e chimiche della nanocellulosa la rendono estremamente adatta a diversi tipi di applicazioni innovative .<ref>Mondal, S., Preparation, properties and applications of nanocellulosic materials. ''Carbohydr. Polym.'' '''2017''', ''163'', 301−316.</ref>. Gli approcci più diffusi per ottenere la nanocellulosa sono meccanici, chimici ed enzimatici.
== Fonti di nanocellulosa ==
Le nanofibre di cellulosa vengono estratte da fonti agricole, forestali (biomasse lignocellulosiche) e batteriche. La biomassa lignocellulosica è composta da [[cellulosa]] (30-50%), [[emicellulosa]] (19-45%) e [[lignina]] (15-35%) di origine vegetale. Insieme questi [[polisaccaridi]] formano un’eteromatrice la cui composizione varia in funzione della fonte della [[biomassa]]. Cellulosa ed emicellulose sono entrambi polisaccaridi, ma mentre la cellulosa è composta da unità di glucosio legate tra loro, le emicellulose possono essere composte da qualsiasi unità di [[monosaccaridi|zuccheri semplici]], anche diversi fra loro (i più frequenti sono [[glucosio]], [[xilosio]], [[arabinosio]], [[mannosio]], [[galattosio]], [[ramnosio]]) e possono inoltre essere organizzate sotto forma di catene ramificate; inoltre, le ramificazioni delle emicellulose possono essere legate chimicamente a molecole diverse da zuccheri semplici, come per esempio [[fenoli]] o con la stessa lignina. La lignina, invece, è un complesso [[polimero]] organico composto da una struttura polimerica di unità fenilpropaniche. Essa svolge in tutti i vegetali la funzione di legare e cementare tra loro le [[fibre]] per conferire ed esaltare la compattezza e la resistenza della pianta. Essendo un [[fenilpropanoide]], la lignina non ha alcun carattere di carboidrato, bensì risulta essere a tutti gli effetti un [[composto aromatico]]. Tra le '''fonti di nanocellulosa''' di origine completamente naturale troviamo fibre di [[Agave sisalana|sisal]], [[bamboo]], [[pigna|pigne]], residui di polpa di scarto, scarti di pannocchie, gambi di [[girasole]], steli di [[Gossypium|cotone]], fibre di [[juta]], bucce di [[banana]], fibra di [[cocco]], polpa di [[conifere]] secca e polpa di [[eucalipto]].
== Metodi per ottenere la nanocellulosa ==
Il modo in cui la nanocellulosa viene isolata dalla pianta ha un grande effetto sulla morfologia e sulle proprietà del materiale ottenuto. I metodi principali di isolamento della NC sono: il '''trattamento meccanico''', il '''trattamento chimico-meccanico (kraft pulping)''', e il '''trattamento enzimatico-meccanico'''.
=== Trattamento meccanico ===
La procedura per isolare '''cellulosa nanofibrillata''' consiste nel disintegrare le fibre di cellulosa lungo il loro asse longitudinale, diluendo sospensioni di pasta di [[legno]] cellulosica in acqua, le quali passano poi attraverso un omogeneizzatore meccanico. La fibrillazione è indotta da un grande perdita di carico.<ref> Siro, I.; Plackett, D., Microfibrillated Cellulose and New Nanocomposite Materials: a Review. ''Cellulose'' '''2010''', ''17'', 459−494.</ref>. Altre tecniche riportate in letteratura per l’ottenimento di cellulosa nanofibrillata sono: [[omogeneizzazione]] ad alta pressione<ref>Leitner, J.; Hinterstoisser, B.; Wastyn, M.; Keckes, J.; Gindl, W., Sugar Beet Cellulose Nanofibril-reinforced Composites. ''Cellulose'' '''2007''', ''14'', 419−425.</ref>, omogeneizzazione ad alto taglio<ref>Bandera, D.; Sapkota, J.; Josset, S.; Weder, C.; Tingaut, P.; Gao, X.; Foster, E. J.; Zimmermann, T., Influence of Mechanical Treatments on the Properties of Cellulose Nanofibers Isolated from Microcrystalline Cellulose. ''React. Funct. Polym.'' '''2014''', ''85'', 134−141.</ref>, ''criocrushing''<ref>Chakraborty, A.; Sain, M.; Kortschot, M., Cellulose Microfibrils: A Novel Method of Preparation using High Shear Refining and Cryocrushing. ''Holzforschung'' '''2005''', ''59'', 102−107.</ref>, [[miscelazione]] ad alta velocità<ref> Uetani, K.; Yano, H., Nanofibrillation of Wood Pulp Using a
High-Speed Blender. ''Biomacromolecules'' '''2011''', ''12'', 348−353.</ref>, microfluidificazione<ref>Ferrer, A.; Filpponen, I.; Rodriguez, A.; Laine, J.; Rojas, O. J., Valorization of Residual Empty Palm Fruit Bunch Fibers (EPFBF) by Microfluidization: Production of Nanofibrillated Cellulose and EPFBF Nanopaper. ''Bioresour. Technol.'' '''2012''', ''125'', 249−255</ref>, [[macinazione]]<ref> Panthapulakkal, S.; Sain, M., Preparation and Characterization of Cellulose Nanofibril Films from Wood Fibre and Their Thermoplastic Polycarbonate Composites. ''Int. J. Polym. Sci.'' '''2012''',''2012'', 1−6.</ref>, [[sonicazione|ultrasuoni]] ad alta intensità<ref> Frone, A. N.; Panaitescu, D. M.; Donescu, D.; Spataru, C. I.; Radovici, C.; Trusca, R.; Somoghi, R., Preparation and Characterization of PVA Composites with Cellulose Nanofibers Obtained by Ultrasonication. ''BioResources'' '''2011''', ''6'', 487−512.</ref>, fresatura a martelli ed [[elettrofilatura]].<ref>Frenot, A.; Henriksson, M. W.; Walkenstrom, P., Electrospinning of Cellulose-based Nanofibers. ''J. Appl. Polym. Sci.'' '''2007''', ''103'', 1473−1482</ref>.
=== Trattamento chimico-meccanico ===
[[File:TEMPO-oxidation of cellulose.jpg|thumb|Schema riassuntivo dell'ossidazione TEMPO-mediata della cellulosa.]]
In primo luogo, i pretrattamenti chimici hanno lo scopo di rimuovere le sostanze non cellulosiche come [[cera|cere]], [[ceneri]], lignina, [[pectina]] ed emicellulosa. Il pretrattamento può ridurre l'energia consumata dai processi meccanici da 20 000 a 3020000-30000 000 kWh/tton a 1000 kWh/tton.<ref>Rojas, J.; Bedoya, M.; Ciro, Y., Current Trends in the Production of Cellulose Nanoparticles and Nanocomposites for Biomedical Applications. ''Cellulose - Fundamental Aspects and Current Trends''; Intech: '''2015'''; Chapter 8, pp 193−228. [https://www.intechopen.com/books/cellulose-fundamental-aspects-and-current-trends/current-trends-in-the-production-of-cellulose-nanoparticles-and-nanocomposites-for-biomedical-applic DOI: 10.5772/61334].</ref>. Il trattamento alcalino mira alla rimozione del contenuto di lignina e alla degradazione delle emicellulose, anche se l'emicellulosa non viene mai completamente rimossa. Le condizioni di reazione devono essere controllate, per prevenire la degradazione della cellulosa. Una volta recuperata la cellulosa, l'[[idrolisi]] acida è senza dubbio il trattamento chimico più comune utilizzato per ottenere cristalli di nanocellulosa, utilizzato soprattutto a livello industriale.<ref> Reid, M. S.; Villalobos, M.; Cranston, E. D. Benchmarking, Cellulose Nanocrystals: From the Laboratory to Industrial Production. ''Langmuir'' '''2017''', ''33'', 1583−1598.</ref>. Le attuali limitazioni con l'idrolisi acida includono la natura corrosiva degli [[acidi]] e la produzione di grandi quantità di rifiuti chimici, anche se attualmente esistono strategie di [[riciclaggioriciclo]] su scala industriale. In alternativa, la nanocellulosa può essere ottenuta attraverso processi ossidativi; un esempio è l’[[ossidazione]] mediata da TEMPO (2,2,6,6-mediataTetramethylpiperidin-1-yl)oxyl) prima del trattamento meccanico.<ref>Isogai, A.; Saito, T.; Fukuzumi, H., TEMPO-oxidized Cellulose Nanofibers. ''Nanoscale'' '''2011''', ''3'', 71−85</ref>. Questa ossidazione facilita l'isolamento della nanocellulosa in acqua con condizioni di reazione blande (solitamente il processo avviene a temperatura e pressione ambiente), con conversione ad [[acidi carbossilici]] dei [[gruppi ossidrilici]] presenti sulla superficie della cellulosa.
=== Trattamento enzimatico-meccanico ===
Il pretrattamento enzimatico, considerato un processo [[Chimica verde|green]], è un altro processo che può essere utilizzato per isolare la nanocellulosa. Questo trattamento consente condizioni di idrolisi più blande rispetto all'idrolisi acida. La nanocellulosa ottenuta con trattamenti chimici ed enzimatici mostra diverse morfologie. Tra gli [[enzimi]] utilizzati per il trattamento enzimatico troviamo le [[xilanasi]], enzimi idrolitici che modificano le emicellulose presenti nella fibra vegetale. Esse possono anche avviare l'idrolisi casuale delle regioni terminali non riducenti β-1,4 situate tra i [[legami glicosidici]] delle unità di glucosio.<ref>Karim, Z.; Afrin, S.; Husain, Q.; Danish, R., Necessity of Enzymatic Hydrolysis for Production and Functionalization of Nanocelluloses. ''Crit. Rev. Biotechnol.'' '''2017''', ''37'', 355−370.</ref>. Gli enzimi modificano o degradano la lignina e l'emicellulosa, limitando l’idrolisi delle fibre cellulosiche.
== Tipologie di nanocellulosa ==
=== Nanocristalli di cellulosa (CNC) ===
[[File:Nanocellulose.JPG|thumb|Nanocristalli di cellulosa]]
I '''nanocristalli di cellulosa''' presentano forme allungate simili a bacchette cristalline e presentano un'elevata rigidità, dal momento che viene rimossa una buona parte delle regioni amorfe.<ref>John, M. J.; Thomas, S., Biofibres and Biocomposites. ''Carbohydr. Polym.'' '''2008''', ''71'', 343−364.</ref>. Il [[grado di cristallinità]] nei nanocristalli varia dal 54% all'88%.<ref>Filson, P. B.; Dawson-Andoh, B. E.; Schwegler-Berry, D., Enzymatic-Mediated Production of Cellulose Nanocrystals from
Recycled Pulp. ''Green Chem.'' '''2009''', ''11'', 1808−1814</ref>. La lunghezza dei nanocristalli di cellulosa varia da 50 a 500 nanometri, mentre il loro [[diametro]] si assesta tra i 3 e i 50 nm. Essi combinano elevata rigidità assiale<ref> Camarero-Espinosa, S.; Boday, D. J.; Weder, C.; Foster, E. J., Cellulose Nanocrystal Driven Crystallization of Poly(D,L-Lactide) and Improvement of the Thermomechanical Properties. ''J. Appl.Polym. Sci.'' '''2015''', ''132'', 41607.</ref>, alto [[modulo di Young]]<ref>Usov, I.; Nyström, G.; Adamcik, J.; Handschin, S.; Schütz, C.;
Fall, A.; Bergström, L.; Mezzenga, R., Understanding Nanocellulose Chirality and Structure−Properties Relationship at the Single Fibril
Level. ''Nat. Commun.'' '''2015''', ''6'', 7564.</ref>, alta resistenza alla trazione<ref>Zhang, J.; Luo, N.; Zhang, X.; Xu, L.; Wu, J.; Yu, J.; He, J.; Zhang, J., All-Cellulose Nanocomposites Reinforced with in Situ
Retained Cellulose Nanocrystals during Selective Dissolution of Cellulose in an Ionic Liquid. ''ACS Sustainable Chem. Eng.'' '''2016''', ''4'',
4417−4423.</ref>, basso [[coefficiente di espansione termica]]<ref>Nishino, T.; Matsuda, I.; Hirao, K., All-Cellulose Composite.
''Macromolecules'' '''2004''', ''37'', 7683−7687.</ref>, alta stabilità termica<ref> Petersson, L.; Kvien, I.; Oksman, K., Structure and Thermal
Properties of Poly(lactic acid)/Cellulose Whiskers Nanocomposite
Materials. ''Compos. Sci. Technol.'' '''2007''', ''67'', 2535−2544.</ref>, e bassa [[densità]].<ref>Liu, H.; Liu, D.; Yao, F.; Wu, Q., Fabrication and Properties of Transparent Polymethylmethacrylate/ Cellulose Nanocrystals Composites. ''Bioresour. Technol.'' '''2010''', ''101'', 5685−5692.</ref>.
=== Cellulosa nanofibrillata (CNF) ===
La '''cellulosa nanofibrillata''' è costituita da un fascio di nanofibre di cellulosa distesa; all’interno del fascio le catene di cellulosa sono tra di loro aggrovigliate ma flessibili, con una grande superficie esposta. A differenza dei CNC, la CNF è costituita da significative regioni [[Amorfo|amorfe]], con catene morbide e lunghe di diametro variabile tra i 10 e i 500 nanometri e lunghezze su scala micrometrica.
A differenza dei CNC, la CNF è costituita da significative regioni [[Amorfo|amorfe]], con catene morbide e lunghe di diametro variabile tra i 10 e i 500 nanometri e lunghezze su scala micrometrica.
=== Nanocellulosa batterica (BNC) ===
La '''nanocellulosa batterica''' è sintetizzata e secreta dalla famiglia dei ''Gluconoacetobacter xylinus.''<ref>Klemm, D.; Kramer, F.; Moritz, S.; Lindstrom, T.; Ankerfors, M.; Gray, D.; Dorris, A., Nanocelluloses: a New Family of Nature-based Materials. ''Angew. Chem., Int. Ed.'' '''2011''', ''50'', 5438−5466.</ref>. Anche specie batteriche come ''[[Agrobacterium]]'', ''[[Pseudomonas]]'', ''[[Rhizobium]]'' e ''[[Sarcina (batterio)|Sarcina]]'' sono in grado di produrre BNC.<ref>El-Saied, H.; Basta, A. H.; Gobran, R. H., Research Progress in
Friendly Environmental Technology for the Production of Cellulose Products (Bacterial Cellulose and Its Application). ''Polym.-Plast. Technol. Eng.'' '''2004''', ''43'', 797−820.</ref>. La nanocellulosa batterica è prodotta coltivando batteri per alcuni giorni in un terreno di coltura acquosoliquido contenente glucosio, [[fosforo]], [[carbonio]] e [[azoto]].
La struttura e le proprietà dei tubi di BNC possono essere controllate scegliendo opportunamente le condizioni di coltivazionecoltura, come la fonte di nutrienti, il rapporto di ossigeno, il tipo di [[ceppo batterico]], il tempo di incubazione e lal'utilizzo coltivazione indi un [[bioreattore]].<ref>Bodin, A.; Backdahl, H.; Fink, H.; Gustafsson, L.; Risberg, B.; ̈Gatenholm, P., Influence of Cultivation Conditions on Mechanical and Morphological Properties of Bacterial Cellulose Tubes. ''Biotechnol. Bioeng.'' '''2007''', ''97'', 425−434.</ref><ref> Backdahl, H.; Risberg, B.; Gatenholm, P. Observations on ̈Bacterial Cellulose Tube Formation for Application as Vascular Graft. ''Mater. Sci. Eng., C'' '''2011''', ''31'', 14−21.</ref><ref>Tang, J.; Li, X.; Bao, L.; Chen, L.; Hong, F. F., Comparison of Two Types of Bioreactors for Synthesis of Bacterial Nanocellulose Tubes as Potential Medical Prostheses Including Artificial Blood Vessels., ''J. Chem. Technol. Biotechnol.'' '''2017''', ''92'', 1218−1228.</ref>.
== Tecniche di analisi sulla nanocellulosa ==
== Proprietà ==
=== Viscosità ===
La nanocellulosa presenta caratteristiche uniche dal punto di vista della [[reologia]].<ref>Tatsumi, D.; Satoshi, I.; Takayoshi, M., Effect of Fiber Concentration and Axial Ratio on the Rheological Properties of Cellulose Fiber Suspensions. ''Journal of the Society of Rheology'', '''2002''', ''30''(1), 27–32. [https://doi.org/10.1678/rheology.30.27 doi:10.1678/rheology.30.27]</ref>. L'alta [[viscosità]] a basse concentrazioni la rende molto interessante come stabilizzante e agente gelificante in particolar modo nelle applicazioni alimentari. Il modulo elastico e il modulo di rilassamento risultano essere indipendenti dalla [[frequenza angolare]] a tutte le concentrazioni di nanocellulosa comprese tra lo 0,125% e il 5,9%. I valori del modulo elastico sono particolarmente elevati (104 Pa al 3% di concentrazione) e vi è inoltre una particolare forte dipendenza dalla concentrazione, in quanto il modulo elastico aumenta di 5 ordini di grandezza aumentando la concentrazione dallo 0,125% al 5,9%. I [[gel]] di nanocellulosa presentano anche un diradamento ad alto potere di taglio (la viscosità si perde con l'introduzione delle forze di taglio). Il comportamento di diradamento al taglio è particolarmente utile in una serie di diverse applicazioni di rivestimento .<ref>Pääkkö, M.; M. Ankerfors; H. Kosonen; A. Nykänen; S. Ahola; M. Österberg; J. Ruokolainen; J. Laine; P.T. Larsson; O. Ikkala; T. Lindström, Enzymatic hydrolysis combined with mechanical shearing and high-pressure homogenization for nanoscale cellulose fibrils and strong gels. ''Biomacromolecules'', '''2002''', ''8''(6), 1934–1941. [https://pubs.acs.org/doi/10.1021/bm061215p doi:10.1021/bm061215p]</ref>.
=== Proprietà meccaniche ===
La cellulosa cristallina ha interessanti proprietà meccaniche: la sua resistenza alla trazione è di circa {{M|500 |u=MPa}}, simile a quella dell'[[alluminio]]. La sua rigidità è di circa 140-{{M|220 |u=GPa}}, migliore di quella della [[fibra di vetro]], utilizzata commercialmente per rinforzare la [[plastica]]. Le pellicole realizzate in nanocellulosa hanno un'elevata resistenza (oltre {{M|200 |u=MPa}}), elevata rigidità (circa {{M|20 |u=GPa}}) ed elevata deformazione (12%).<ref>Henriksson, Marielle; Lars A. Berglund; Per Isaksson; Tom Lindström; Takashi Nishino, Cellulose nanopaper structures of high toughness. ''Biomacromolecules'', '''2008''', ''9''(6), 1579–1585. [https://pubs.acs.org/doi/10.1021/bm800038n doi:10.1021/bm800038n]</ref> ed elevata deformazione (12%). Il suo rapporto resistenza/peso è 8 volte superiore a quello dell'acciaio inossidabile. Le fibre di nanocellulosa, invece, presentano elevata resistenza (fino a {{M|1,57 |u=GPa}}) e rigidità (fino a {{M|86 |u=GPa}}).<ref>Mittal, N.; Ansari, F.; Gowda V., K.; Brouzet, C.; Chen, P.; Larsson, P.T.; Roth, S.V.; Lundell, F.; Wågberg, L.; Kotov, N.; Söderberg, L.D., Multiscale Control of Nanocellulose Assembly: Transferring Remarkable Nanoscale Fibril Mechanics to Macroscale Fibers. ''ACS Nano.'', '''2018''', ''12''(7), 6378–6388. [https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsnano.8b01084 doi:10.1021/acsnano.8b01084]</ref>.
=== Proprietà barriera ===
Nei polimeri semi cristallini, le regioni cristalline sono considerate impermeabili ai [[gas]]. A causa della cristallinità relativamente alta<ref>Aulin, Christian; Susanna Ahola; Peter Josefsson; Takashi Nishino; Yasuo Hirose; Monika Österberg; Lars Wågberg, Nanoscale Cellulose Films with Different Crystallinities and Mesostructures-Their Surface Properties and Interaction with Water. ''Langmuir'', '''2009''', ''25''(13), 7675–7685. [https://pubs.acs.org/doi/10.1021/la900323n doi:10.1021/la900323n].</ref>, in combinazione con la capacità delle nanofibre di formare una fitta rete tenuta insieme da forti legami inter-fibrillari (alta densità di energia coesiva), è stato suggerito che la nanocellulosa potrebbe agire come materiale di barriera.<ref>Fukuzumi, Hayaka; Tsuguyuki Saito; Tadahisa Iwata; Yoshiaki Kumamoto; Akira Isogai, Transparent and high gas barrier films of cellulose nanofibers prepared by TEMPO-mediated oxidation, ''Biomacromolecules'', '''2009''', ''10''(1), 162–165. [https://pubs.acs.org/doi/10.1021/bm801065u doi:10.1021/bm801065u].</ref><ref>Syverud, Kristin; Per Stenius, Strength and barrier properties of MFC films, ''Cellulose'', '''2009''', ''16''(1), 75–85. [https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-008-9244-2 doi:10.1007/s10570-008-9244-2].</ref>. Studi condotti considerando la permeabilità all’ossigeno hanno attribuito ai film di nanocellulosa elevate proprietà di barriera.<ref>Aulin, Christian; Mikael Gällstedt; Tom Lindström, Oxygen and oil barrier properties of microfibrillated cellulose films and coatings, ''Cellulose'', '''2010''', ''17''(3), 559–574. [https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-009-9393-y doi:10.1007/s10570-009-9393-y].</ref>. Modifiche ai [[gruppi funzionali]] superficiali della nanocellulosa influiscono notevolmente sulla [[permeabilità]] dei film di nanocellulosa. Pellicole costituite da nanocristalli di cellulosa caricata negativamente riducono efficacemente la permeazione degli [[anioni]], lasciando inalterato l’effetto sugli ioni neutri. I [[cationi]], invece, tendono ad accumularsi all’interno della membrana.<ref>Thielemans, Wim; Warbey, C.A; Walsh, D.A., Permselective nanostructured membranes based on cellulose nanowhiskers. ''Green Chemistry'', '''2009''', ''11''(4), 531–537. [https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2009/gc/b818056c#!divAbstract doi:10.1039/b818056c].</ref>.
== Funzionalizzazione della nanocellulosa ==
La superficie della nanocellulosa può essere facilmente modificata e funzionalizzata; è infatti possibile creare dei [[nanomateriali]] miratamente modificati a seconda del tipo di applicazione. Le modifiche sulle nanofibre di cellulosa avvengono prevalentemente a livello del gruppo ossidrilico (-CH<sub>2</sub>OH) e l’obiettivo di questa funzionalizzazione è quello di modificare l'[[idrofobicità]] della superficie del materiale, migliorandone la compatibilità e la dispersibilità in solventi specifici.<ref>Eyley, S., Thielemans, W., Surface modification of cellulose nanocrystals. ''Nanoscale'', 2014, ''6'', 7764-7779.</ref>
Le modifiche sulle nanofibre di cellulosa avvengono prevalentemente a livello del gruppo ossidrilico (-CH<sub>2</sub>OH) e l’obiettivo di questa funzionalizzazione è quello di modificare l'[[idrofobicità]] della superficie del materiale, migliorandone la compatibilità e la dispersibilità in [[solventi]] specifici<ref>Eyley, S., Thielemans, W., Surface modification of cellulose nanocrystals. ''Nanoscale'', '''2014''', ''6'', 7764-7779.</ref>.
=== Introduzione di gruppi idrofobici ===
Dal momento che la cellulosa è [[idrofila]], essa tende ad assorbire [[acqua]] dopo l’esposizione. La sensibilità dei materiali nanocellulosici verso l'umidità può essere regolata utilizzando varie tecniche di funzionalizzazione, tra cui troviamo [[esterificazione]], [[sililazione]], [[legami ammidici|ammidazione]], [[Carbammati|uretanizzazione]] e [[Eteri|eterificazione]]: l’introduzione di questi gruppi funzionali rende la superficie della nanocellulosa maggiormente idrofobaidrofobica. In questo tipo di funzionalizzazioni è necessario modificare solo la superficie della nanocellulosa preservando la morfologia originale e la complessa struttura dei gruppi alcolici interni.
=== Introduzione di gruppi idrofiliciidrofili ===
L’introduzione di [[Idrofilia|gruppi idrofiliciidrofili]], come '''gruppi carbossilici''', '''gruppi fosforici''' e '''gruppi solfonici''', è finalizzata ad introdurre una carica superficiale negativa in grado di stabilizzare le nanoparticelle sfruttando l’effetto delle [[interazioni elettrostatiche]]. Le [[reazioni chimiche]] che permettono l’introduzione di gruppi idrofiliciidrofili sulla superficie del materiale sono [[fosforilazione]], carbossimetilazione, [[solfonazione]] e ossidazione.
== Possibili applicazioni della nanocellulosa ==
Le proprietà della nanocellulosa (ad es. proprietà meccaniche, proprietà di formazione del film, viscosità, eccetc.) ne fanno un materiale interessante per molte applicazioni, con un altissimo potenziale per prodotti industriali estremamente innovativi.<ref>Brown, Elvie E.; Hu, Dehong; Abu Lail, Nehal; Zhang, Xiao, Potential of Nanocrystalline Cellulose–Fibrin Nanocomposites for Artificial Vascular Graft Applications. ''Biomacromolecules'' '''2013''', ''14''(4), 1063–71. [https://pubs.acs.org/doi/10.1021/bm3019467 doi:10.1021/bm3019467].</ref>.
=== Aerogel ===
[[File:TOCNF-bPEI aerogel.png|thumb|Aerogel sintetizzato a partire da nanofibre di cellulosa e polietilenimmina ramificata.]]
La nanocellulosa può essere utilizzata come componente strutturale per la sintesi di [[aerogel]] in combinazione con polimeri come la polietilenimmina ramificata ('''bPEI'''). Questi aerogel, ottenuti attraverso un processo di [[liofilizzazione]] e trattamento termico, sono stati utilizzati per diverse applicazioni, come la decontaminazione ambientale delle acque<ref>Melone, L., Rossi, B., Pastori, N., Panzeri, W., Mele, A., Punta, C., TEMPO‐Oxidized Cellulose Cross‐Linked with Branched Polyethyleneimine: Nanostructured Adsorbent Sponges for Water Remediation, ''ChemPlusChem'' '''2015''', ''80''(9), 1408.</ref> oe il sensing di ioni specifici.<ref>Melone, L., Bonafede, S., Tushi, D., Punta, C., Cametti, M., Dip in colorimetric fluoride sensing by a chemically engineered polymeric cellulose/bPEI conjugate in the solid state, ''RSC Advance'' '''2015''', ''101''.</ref>.
=== Carta e cartone ===
Tra le potenziali applicazioni della nanocellulosa troviamo quelle nell’ambito della produzione di [[carta]] e [[cartone]]. Le nanocellulose dovrebbero aumentare la forza di legame fibra-fibra e, quindi, avere un forte '''effetto di rinforzo''' sui materiali cartacei.<ref>Taipale, T.; Österberg, M.; Nykänen, A.; Ruokolainen, J.; Laine, J., Effect of microfibrillated cellulose and fines on the drainage of kraft pulp suspension and paper strength. ''Cellulose'' '''2010''', ''17''(5), 1005–1020. [https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-010-9431-9 doi:10.1007/s10570-010-9431-9].</ref><ref>Eriksen, Ø.; Syverud, K.; Gregersen, Ø. W., The use of microfibrillated cellulose produced from kraft pulp as strength enhancer in TMP paper. ''Nord. Pulp Pap. Res. J.'' '''2008''', ''23''(3), 299–304. [https://www.degruyter.com/view/j/npprj.2008.23.issue-3/npprj-2008-23-03-p299-304/npprj-2008-23-03-p299-304.xml doi:10.3183/npprj-2008-23-03-p299-304].</ref><ref>Ahola, S.; Österberg, M.; Laine, J., Cellulose nanofibrils—adsorption with poly(amideamine) epichlorohydrin studied by QCM-D and application as a paper strength additive. ''Cellulose'' '''2007''', ''15''(2), 303–314. [https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-007-9167-3 doi:10.1007/s10570-007-9167-3].</ref>. La nanocellulosa può essere utile come barriera nelle carte a prova di grasso e come additivo per '''migliorare la resistenza a secco e umido''' nei prodotti di carta e cartone.<ref>Syverud, K.; Stenius, P., Strength and barrier properties of MFC films. ''Cellulose'' '''2008''', ''16'', 75–85. [https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-008-9244-2 doi:10.1007/s10570-008-9244-2].</ref><ref>Aulin, C.; Gällstedt, M.; Lindström, T., Oxygen and oil barrier properties of microfibrillated cellulose films and coatings. ''Cellulose'' '''2010''', ''17''(3), 559–574. [https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-009-9393-y doi:10.1007/s10570-009-9393-y].</ref><ref>Lavoine, N.; Desloges, I.; Dufresne, A.; Bras, J., Microfibrillated cellulose - its barrier properties and applications in cellulosic materials: a review. ''Carbohydr. Polym.'' '''2012''', ''90''(2), 735–64. [https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22839998 doi:10.1016/j.carbpol.2012.05.026].</ref><ref>Missoum, K.; Martoïa, F.; Belgacem, M. N.; Bras, J., Effect of chemically modified nanofibrillated cellulose addition on the properties of fiber-based materials. ''Ind. Crops Prod.'' '''2013''', ''48'', 98–105. [https://pubag.nal.usda.gov/catalog/470562 doi:10.1016/j.indcrop.2013.04.013].</ref>. È stato dimostrato che applicare CNF come materiale di rivestimento sulla superficie di carta e cartone '''migliora le proprietà barriera''', in particolare la resistenza all'aria. Migliorano inoltre le proprietà strutturali del cartone (superficie più liscia).<ref>Mazhari Mousavi, Seyyed Mohammad ''et al.'', Cellulose nanofibers with higher solid content as a coating material to improve the structure and barrier properties of paperboard. ''TAPPI Conference Proceedings'' '''2016''', 1–7.</ref>.
La nanocellulosa può essere inoltre utilizzata per preparare carta flessibile e otticamente trasparente. Tale carta è un substrato estremamente utile per i dispositivi elettronici perché è [[sostenibilità|riciclabile]], compatibile con gli oggetti biologici[[Biocompatibilità|biocompatibile]] e si degrada facilmente quando viene smaltita.<ref>Jung, Yei Hwan; Chang, Tzu-Hsuan; Zhang, Huilong; Yao, Chunhua; Zheng, Qifeng; Yang, Vina W.; Mi, Hongyi; Kim, Munho; Cho, Sang June; Park, Dong-Wook; Jiang, Hao; Lee, Juhwan; Qiu, Yijie; Zhou, Weidong; Cai, Zhiyong; Gong, Shaoqin; Ma, Zhenqiang, High-performance green flexible electronics based on biodegradable cellulose nanofibril paper. ''Nature Communications'' '''2015''', ''6'', 7170. [https://www.nature.com/articles/ncomms8170 doi:10.1038/ncomms8170]</ref>.
=== Compositi ===
Dal momento che la nanocellulosa possiede ottime proprietà di rinforzo delle materie plastiche, essa può essere utilizzata anche per migliorare le proprietà meccaniche di resine termoindurenti, matrici a base di [[amido]], proteine della [[soia]] e lattici di gomma. Le applicazioni compositedella nanocellulosa in materiali compositi possono essere utilizzatelegate comea rivestimentimateriali edi rivestimento, pellicole<ref>Gamelas, José António Ferreira; Ferraz, Eduardo, Composite Films Based on Nanocellulose and Nanoclay Minerals as High Strength Materials with Gas Barrier Capabilities: Key Points and Challenges, ''BioResources'' '''2015''', ''10''(4), 6310–6313. [https://www.researchgate.net/publication/283651346_Composite_Films_Based_on_Nanocellulose_and_Nanoclay_Minerals_as_High_Strength_Materials_with_Gas_Barrier_Capabilities_Key_Points_and_Challenges doi:10.15376/biores.10.4.6310-6313].</ref>, [[vernici]], [[schiume]] e [[imballaggi]].
=== Cibo ===
=== Settore medico, cosmetico e farmaceutico ===
L’utilizzo della nanocellulosa in ambito [[Cosmetica|cosmetico]], [[Medicina|medico]] e [[farmaceutico]] ha recentemente preso sempre più piede con un’ampia gamma di applicazioni estremamente innovative:
* Uso della nanocellulosa come '''agente di rivestimento''' composito in cosmetica, ad esempio in prodotti per [[capelli]], [[Ciglia (occhi)|ciglia]], [[sopracciglia]] o [[unghie]].
* Composizioni solide secche di nanocellulosa per la '''produzione di [[compresse]]''' per il trattamento dei [[disturbi intestinali]].
* '''Pellicole di nanocellulosa''' per lo screening di composti biologici e [[acidi nucleici]] che codificano un particolare composto biologico.
* '''Terreni filtranti''' parzialmente a base di nanocellulosa per [[trasfusioni di sangue]] privo di [[leucociti]].
* '''Formulazioni buccodentali''' a base di nanocellulosa e composti organici poliidrossilati.
* Nanocellulosa in polvere come [[eccipiente]] nelle composizioni farmaceutiche.
* Gel elastici criostrutturati per potenziali applicazioni [[Biomedicina|biomediche]] e [[Biotecnologia|biotecnologiche.]]<ref>Syverud, K.; Kirsebom, H.; Hajizadeh, S.; Chinga-Carrasco, G., Cross-linking cellulose nanofibrils for potential elastic cryo-structured gels. ''Nanoscale Research Letters.'' '''2011''', ''6''(1) 626. [https://nanoscalereslett.springeropen.com/articles/10.1186/1556-276X-6-626 doi:10.1186/1556-276X-6-626]</ref>.
* '''Matrici''' a base di nanocellulosa per colture cellulari 3D.
=== Altre applicazioni ===
* Materiale per rivestimenti.<ref>Toivonen, Matti S.; Onelli, Olimpia D.; Jacucci, Gianni; Lovikka, Ville; Rojas, Orlando J.; Ikkala, Olli; Vignolini, Silvia, Anomalous-Diffusion-Assisted Brightness in White Cellulose Nanofibril Membranes. ''Advanced Materials'' '''2018''', ''30''(16), 1704050. [https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.201704050 doi:10.1002/adma.201704050].</ref>.
* Additivo per filtri per [[tabacco]].
* [[Bioedilizia]].
* Rinforzo di [[Conduttore elettrico|materiali conduttivi]].
* Membrane per [[altoparlanti]]
* Membrane adper alto flussoaltoparlanti.
* Membrane ad alto flusso.
* Ambito [[automotive]]
* Ambito [[Bioetanoloautomotive]].
* [[CatalisiBioetanolo]].
* [[Catalisi]].
* Componenti per [[computer]].<ref>A1 WO application 2016174104 A1, Thomas Dandekar, Modified bacterial nanocellulose and its uses in chip cards and medicine, '''2016''', assigned to Julius-Maximilians-Universität Würzburg</ref>
* [[Condensatore (scambiatore di calore)|Condensatori]].<ref>Nyström, Gustav; Marais, Andrew; Karabulut, Erdem; Wågberg, Lars; Cui, Yi; Hamedi, Mahiar M., Self-assembled three-dimensional and compressible interdigitated thin-film supercapacitors and batteries. ''Nature Communications'' '''2015''', ''6'' 7259. [https://www.nature.com/articles/ncomms8259 doi:10.1038/ncomms8259].</ref>
* Armatura leggera e vetro balistico.<ref>Why wood pulp is world's new wonder material – tech – 23 August 2012". New Scientist. Retrieved 2012-08-30.</ref> [29].
* Inibitori di [[corrosione]].<ref>Garner, A. (2015-2016) U.S. Patent 9,222,174 "Corrosion inhibitor comprising cellulose nanocrystals and cellulose nanocrystals in combination with a corrosion inhibitor" and U.S. Patent 9,359,678 "Use of charged cellulose nanocrystals for corrosion inhibition and a corrosion inhibiting composition comprising the same"</ref> [67]
* [[Industria petrolchimica|Industria oli e gas]].
== Aspetti legati alla sicurezza ==
La salute, la sicurezza e gli aspetti ambientalidi [[impatto ambientale]] della nanocellulosa sono stati recentemente valutati.: Ilè trattamentoemerso dellache nanocellulosail materiale non causa un'esposizione significativa alle particelle fini durante la [[Mulino a biglie|macinazione per attrito]] o l'essiccazionelo a[[Spray spruzzodryer|''spray-drying'']]. Dopo l'esposizione alla nanocellulosa non si osservano effetti infiammatori o citotossici sui macrofagi umani o sui topi. I risultati degli studi di tossicità suggeriscono quindi che la nanocellulosa non risulta essere citotossica né particolarmente batteriotossica verso ''[[Vibrio fischeri]]'' in concentrazioni rilevanti per l'ambiente.<ref>Vartiainen, J.; InoltrePöhler, laT.; nanocellulosaSirola, nonK.; èPylkkänen, risultaL.; essereAlenius, altamenteH.; tossicaHokkinen, perJ.; iTapper, batteriU.; VibrioLahtinen, fischeriP.; inKapanen, concentrazioniA.; rilevantiPutkisto, perK.; Hiekkataipale, K.; Eronen, P.; Ruokolainen, J.; Laukkanen, A., Health and environmental safety aspects of friction grinding and spray drying of microfibrillated cellulose. l'ambiente'Cellulose'' 2011, ''18''(3), 775–786. [48https://link.springer.com/article/10.1007/s10570-011-9501-7 doi:10.1007/s10570-011-9501-7].</ref>
== Produzione commerciale ==
Sebbene la nanocellulosa a partire dal legno sia stata prodotta per la prima volta nel 1983 da Herrick e Turbak, la sua produzione commerciale è stata rinviata al 2010, soprattutto a causa dell'elevato consumo energetico e degli elevati costi di produzione. Inventia Co. in Svezia è stata la prima azienda di nanocellulosa fondata nel 2010. Altre società attive di prima generazione sono CelluForce (Canada), Kruger (Canada), Performance BioFilaments (Canada), Nippon (Giappone), Nano Novin Polymer Co. (Iran), Maine University (USA), VTT (Finlandia), Sappi (Paesi Bassi), InoFib (Francia) e Melodea (Israele). La più grande unità di produzione di nanocellulosa al mondo è l’impianto di Imatra in Finlandia.
Inventia Co. in Svezia è stata la prima azienda di nanocellulosa fondata nel 2010. Altre società attive di prima generazione sono [https://www.celluforce.com/ CelluForce] (Canada), [https://www.kruger.com/ Kruger] (Canada), [http://www.performancebiofilaments.com/ Performance BioFilaments] (Canada), [https://www.nippon.com/en/ Nippon] (Giappone), [http://nanonovin.com/ Nano Novin Polymer Co.] (Iran), [https://umaine.edu/ Maine University] (USA), [https://www.vttresearch.com/ VTT] (Finlandia), [https://www.sappi.com/it/nanocellulose Sappi] (Paesi Bassi), [https://web.archive.org/web/20190622021333/http://www.inofib.fr/ InoFib] (Francia) e [http://www.melodea.eu/ Melodea] (Israele).
== Vedi ancheNote ==
== Voci correlate ==
* [[Cellulosa]]
* [[Aerogel]]
* [[Carta]]
* [[Cartone]]
* [[Materiale composito]]
* [[Nanotecnologia]]
[[Categoria:Polimeri]]
== Riferimenti ==
[[Categoria:Polisaccaridi]]
[[Categoria:Chimica verde]]
[[Categoria:Nanotecnologia]]
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