Nanocelulose
Nanocelulosa se clasifica en tres tipos, microfibrillated cellulose (MFC), nanocrystalline cellulose (NCC) y bacterial cellulose (NBC). Es un material que consta de nanofibras de celulosa, que son una cadena de moléculas de celulosa de forma tubular alargada teniendo una marcada relación de aspecto longitud-diámetro. La tendencia o magnitud típica del diámetro es de 10 a 20 nanómetros y la de su longitud es de 10 veces o más la de su diámetro, esta propiedad geométrica de la molécula la hace muy sensible a diferentes campos de aplicación al tratarse de un polímero.La sustancia en gel tiene un comportamiento tixotrópico.
La nanocelulosa se extrae básicamente de cualquier fibra de celulosa como por ejemplo la pulpa de celulosa y puede presentarse de dos maneras, cristalina o aleatoria. Se obtiene a través de un proceso de homogeneización o sometimiento a altas presiones, que dado el caso la nanofibra será amorfa. Aquella obtenida a través de un proceso de hidrólisis ácida se denomina Nanocelulosa Cristalina([NCC] por sus siglas en inglés) y las cuales componen un material mucho más rígido que el obtenido por homogeneización.
Índice
1 Historia
2 Producción 3 Propiedades
o 3.1 Viscosidad
o 3.2 Propiedades Mecánicas
4 Aplicacioneso 4.1 Últimos Usos
o 4.2 Filtro
o 4.3 Biocombustibles
o 4.4 Papel
o 4.5 Alimentos
5 Referencias 6 Véase también
Historia
El término nanocellulose o Microfibrillated cellulose fue usado por primera vez en 1977, para designar un material gelatinoso translúcido, resultado de pasar pulpa de celulosa a través de un homogeneizador (llamado Gaulin type milk homogenizer para aquel entonces) y luego impactarla contra una superficie rígida. Dicho descubrimiento se le atribuyó al grupo de investigadores Turbak, Snyder y Sandberg que trabajaban en Whipanny, New Jersey para 'ITT Rayonier Labs'.1 2
A pesar de que en los años 1950 ya se aplicaban tratamientos de ultrasonido, hidrólisis, oxidación y también homogeneización para desintegrar estructuras de celulosa.3 Fue el grupo de Turbak el que dispuso el resultado de las investigaciones de manera que pudiera haber un interés industrial sobre el material.4
ProducciónLa producción de nanocelulosa se realiza generalmente a partir de la pulpa de celulosa de la madera a través de métodos de homogeneización (p.ej. homogenizadores ultrasónicos5 ) y reticulación,procesos a través de los cuales se obtiene una molécula amorfa.
Para la producción de Nanocelulosa cristalina se lleva a cabo el tratamiento de 'Hidrólisis ácida'. La fibra de celulosa natural consta de regiones amorfas y regiones cristalinas. Las regiones amorfas son menos densas que las cristalinas de manera tal que al someter el material natural a la fuerza de la hidrólisis ácida(que es mayor que la de la homogeneización y reticulación), las regiones amorfas se rompen liberando las moléculas cristalinas (NCC). Existen diferentes tipos de hidrólisis pero en general la relación de aspecto 'L/D'(longitud/Diámetro) de las nanocelulosas cristalinas cambian con respecto a la fuente natural de celulosa.6 7
Fuente Bacteriana Algodón Tunicado Ramie Sisal Valonia Madera
Longitud:Diámetro
2:100 10:30 15:42 5:30 20:167 50:100 20:100
Propiedades[editar]
Imagen de nanocelulosa carboxi-metilada sobre una superficie de óxido de Silicio
Viscosidad
Cuando la concentración de nanocelulosa es baja, la viscosidad es poca, también es muy sensible a las fuerzas cizallantes ya que la viscosidad se anula en la presencia de estas.
Propiedades Mecánicas
Las nanocelulosa cristalina con cierto grado de cristalinidad ha mostrado ser más resistente que el aluminio, más rígido que el kevlar, propiedades que también se ven mejoradas al elaborar películas de [NCC], que a su vez soportan mayores tensiones. La relación entre el peso y la resistencia es 8 veces más eficiente que elacero inoxidable, este material se postula para ser el reemplazo ecológico delgrafeno.8
AplicacionesLa celulosa es uno de los polímeros más abundantes del planeta pudiendo ser una de las respuestas ecológicas más eficientes para la crisis energética y otros problemas ambientales, las aplicaciones de la [NCC] van desde la elaboración de pantallas para dispositivos electrónicos hasta el cultivo de órganos.7 9
Últimos Usos
Para muchos de los siguientes usos solo se sabe que es posible, mas no se tiene certeza si se ha realizado de forma concreta o,por otro lado, no se ha efectuado dicho uso en forma masiva:10
En la elaboración de pantallas electrónicas flexibles, partes móviles para computadoras, armas livianas y vidrios blindados.
Reemplaza el material metálico en la fabricación de automóviles y todo tipo de plástico no orgánico ya que, no solo es mas ecológico, si no que posee mejores propiedades mecánicas.
En la elaboración de baterías que se recargan al ser dobladas.10
Por ser fuerte y ligero se puede elaborar un gel ultrabsorbente capaz de soportar 10 mil veces su propio peso, sustituyendo los tampones y toallas femeninas.11
Filtro
Así como el grafeno, la nanocelulosa puede filtrar todo tipo de líquidos, usándose así para filtrar transfusiones de sangre, sustancias químicas de los cigarrillos y generar agua potable incluso a partir de agua de mar.10 11
Biocombustibles
Combustibles con cero emisiones de dioxido de carbono , o cualquier otro gas contaminante.10
Papel
En la fabricación de papel la nanocelulosa crea enlaces fibra por fibra, generando un efecto de reforzamiento en los materiales de papelería.
Alimentos
La nanocelulosa se puede utilizar como un reemplazo bajo en calorías para los aditivos de hoy en día de hidratos de carbono utilizados como espesantes, portadores de aroma y estabilizadores de suspensión en una amplia variedad de productos alimenticios y es útil para la producción de rellenos, aplasta, chips, obleas, sopas, salsas, pudines, etc. La aplicaciones de alimentos fueron principios reconocidos como un campo de aplicación muy interesante para nanocelulosa debido al comportamiento reológico del gel nanocellulose.
Referencias
1. Volver arriba↑ Turbak, A.F., F.W. Snyder, and K.R. Sandberg Patent 4341807; Patent 4374702; Patent 4378381; Patent 445272; Patent 4452722; Patent 4464287; Patent 4483743; Patent 4487634; Patent 4500546
2. Volver arriba↑ Herrick, F.W.; R.L. Casebier, J.K. Hamilton, y K.R. Sandberg (1983). «Microfibrillated cellulose: morphology and accessibility». A. Sarko (ed.) Proceedings of the Ninth Cellulose Conference: 797–813. ISBN 0-471-88132-5.
3. Volver arriba↑ Chinga-Carrasco. Cellulose fibres, nanofibrils and microfibrils: The morphological sequence of MFC componentsfrom a plant physio logy and fibre technology point of view. Parámetro desconocido |name= ignorado (ayuda)
4. Volver arriba↑ Berglund, Lars (2005). «Cellulose-based nanocomposites». En A.K. Mohanty, M. Misra, and L. Drzal (Eds). Natural fibers, biopolymers and biocomposites. Boca Raton, Florida. pp. 807–832. ISBN 978-0-8493-1741-5.
5. Volver arriba↑ http://www.hielscher.com/ultrasonic-production-of-nano-structured-cellulose.htm.6. Volver arriba↑ Syverud, Kristin; kirsebom, Harald; Hajizadeh, Solmaz; Chinga-Carrasco, Gary. Cross-
linking cellulose nanofibrils for potential elastic cryo-structured gels. Nano Express.7. ↑ Saltar a:a b Turbak, A.F.; F.W. Snyder, y K.R. Sandberg (1983). «Microfibrillated cellulose, a new
cellulose product: Properties, uses and commercial potential». A. Sarko (ed.)Proceedings of the Ninth Cellulose Conference: 815–827.ISBN 0-471-88132-5.
8. Volver arriba↑ Newscientist Magazine (14 de diciembre de 2012). «Why wood pulp is world's new wonder material (Por que la pulpa de celulosa es el nuevo material milagroso?)» (en inglés). Consultado el 21 de abril de 2013.
9. Volver arriba↑ «Crean un material hecho a base de sol y aguaautor=La Nación». 12 de abril de 2013.10. ↑ Saltar a:a b c d «Conoce siete increíbles usos de la Nanocelulosa». 9 de abril de 2013.11. ↑ Saltar a:a b muyinteresante.com (12 de abril de 2013). «¿Que es la Nanocelulosa?».
Cinco usos revolucionarios de la nanocelulosa industrial
La nanocelulosa llegó hace poco al grupo de los materiales de origen natural que
están llamados a revolucionar la industria en las próximas décadas
Leer más: Cinco usos revolucionarios de la nanocelulosa industrial. Noticias de Tecnología http://goo.gl/uwdhD9
MATERIALES
Si hubiese que hacer un pódium de los materiales postulados para revolucionar
la industria en los próximos años, seguramente éste estaría ocupado por el
grafeno, los nanotubos de carbono (que es en esencia lo mismo que el
grafeno, es decir, átomos de carbono, pero organizados en cilindros en vez de
en láminas) y la nanocelulosa. Sus características únicas y sus potenciales
usos maravillan a los científicos y los ingenieros, y los responsables de los
procesos productivos están a la espera de que se logren producir con fiabilidad
y eficiencia en cantidades industriales.
De esos tres, la nanocelulosa cristalina es quizá la que más recientemente
ha aparecido en la escena de la actualidad, aunque igual que otros
supermateriales está presente de forma natural en el entorno desde siempre,
en este caso, en los árboles y las plantas. Es ligera, fuerte y rígida, y con un
alto coeficiente de resistencia respecto a su peso. Además, es estable en
cuanto a los cambios de temperatura, tiene propiedades ópticas interesantes
(es transparente) y se dilata poco con el calor. Por último, puesto que es una
derivada de la celulosa, que es una materia prima que producen las plantas en
grandísimas cantidades cada año, es intrínsecamente renovable y respetuosa
con el medio ambiente.
En abril de 2013, científicos de la Universidad de Texas volvían a hacer sonar
la nanocelulosa con fuerza al anunciar que habían dado con la forma de
reducir los costes de producción, utilizando un determinado tipo de alga para
producir el material de forma natural, algo que hasta entonces no había sido
posible conseguir. Solo haría falta luz y agua. Si su propuesta termina siendo
un éxito, será posible obtener enormes cantidades de nanocelulosa a muy bajo
precio. Esto iría en línea con las predicciones de la Fundación Nacional
para la Ciencia estadounidense, que asegura que para el año 2020, la de la
nanocelulosa será una industria valorada en 600.000 millones de dólares
https://youtu.be/vxqbuOjWV2s
Transparente, ligera, resistente, fuerte y conductora de la electricidad, no son
pocos los que ya trabajan en cómo utilizar la nanocelulosa en el futuro, y estos
son algunos de esos potenciales usos:
1. Armaduras ligeras y súper resistentes
En busca de materiales más ligeros y resistentes, a la vez que transparentes
para uso militar, incluida la protección ocular y facial, científicos del ejército
estadounidense están buscando la froma de reforzar polímeros sintéticos con
nanocelulosa. Algunos de los materiales que se utilizan normalmente para esta
tarea, como la fibra de carbono o las cerámicas, suelen encarecer mucho el
proceso y alteran el polímero porque le quitan claridad y añaden algo de color.
La nanocelulosa podría sortear ambos obstáculos.
Además, su aspecto transparente también le da ventaja en este campo, puesto
que la hace perfecta para proteger vehículos o fabricar cascos a prueba de
impactos, por no mencionar los vidrios de comercios con mayor tendencia a
sufrir robos.
2. Coches más resistentes y eficientes
Según científicos de la Universidad de Maine, añadiendo solo un 10% de
nanocelulosa a la mezcla de un material compuesto cualquiera se consigue
aumentar la fuerza de la sustancia final hasta en un 70%, algo de lo que podría
beneficiarse entre otros el sector de los transportes, y la industria del automóvil
especialmente.
Gracias a su ligereza, esto podría ocurrir sin que los coches aumentasen
excesivamente de peso, e incluso disminuyendo si la nanocelulosa sustituye a
otros materiales más pesados. De esta forma los vehículos no necesitarían
consumir más combustible para ser más resistentes y seguros.
3. Usos médicos y sanitarios
La nanocelulosa es altamente absorbente, porosa y se puede moldear al gusto.
Esto la hace perfecta para fabricar con ella productos absorbentes como
gasas, vendas o incluso tampones. Su carácter biodegradable es una ventaja
más para estos usos, así como para emplearla en pequeños implantes, como
recambios de válvulas cardiacas, ligamentos artificiales o piezas de
articulaciones.Sus aplicaciones en el campo de la medicina son tan prometedores que solo en este ámbito se calcula que tendrá un mercado de 97.000 millones de dólares en 2017
Por otra parte, su capacidad conductora la postula como un material idóneo para
fabricar membranas que luego se utilicen en procesos de filtrado como los
tratamientos de diálisis para enfermos del riñón. Sus aplicaciones en el campo
de la medicina son tan prometedores que solo en este ámbito se calcula que
tendrá un mercado de 97.000 millones de dólares en 2017.
Pero eso no es todo: combinando pequeñas cantidades de nanocelulosa con
agua, se forman hidrogeles muy estables que comparten muchas propiedades
con los tejidos humanos, lo que está dando pie a investigaciones sobre la
aplicación de medicamentos e incluso la ingeniería de tejidos y de órganos.
4. Esponjas para limpiar vertidos en el mar
Mezclando nanocelulosas con agua, se obtienen hidrogeles, pero
mezclándolas con otros componentes, todos juntos forman aerogeles, que son
una especie de esponja, capaces de resister de forma estable en el agua
durante más de 60 días.
Ya hay varios laboratorios en el mundo investigando esta propiedad del
supermaterial, que sería muy interesante por ejemplo para facilitar las tareas
de limpieza tras un vertido contaminante en el agua del mar.
5. Mejorar otros materiales como plásticos o papel
La nanocelulosa es un derivado de la celulosa, con la que se fabrica el papel y
el cartón. Añadiéndola a su composición, puede reforzar el entramado de fibras
que los componen y hacerlos más fuertes y resistentes, por ejemplo al agua o
a los impactos y el desgaste. Podría convertirse en un ingrediente interesante
para cajas y embalajes que deban resistir en exteriores, o que estén en
contacto con materiales grasos, por ejemplo, evitando que se rompan o
estropeen.
Por sus propiedades, también puede utilizarse para mejorar las cualidades
mecánicas de algunos plásticos, como la resina termoplástica o el látex,
haciéndolos más flexibles y resistentes. De hecho, científicos brasileños han
desarrollado un plástico que, empleando nanocelulosa extraída de plátanos,
resultó un 30% menos pesado pero cuatro veces más fuerte que el mismo
compuesto sin la nanocelulosa.
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El material "milagroso" hecho a base de sol y agua 10 abril 2013
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Malcom Brown (izq.) es un pionero en el campo de la nanocelulosa.
Es ocho veces más resistente que el acero inoxidable, transparente, ligero, conduce la electricidad y algunos aseguran que este material "maravilla", como lo llaman algunos, transformará la agricultura tal y como hoy la conocemos.
Hablamos de la nanocelulosa cristalina, un material que se obtiene a partir de la compresión de fibras vegetales o se cultiva usando microorganismos como las bacterias.
La nanocelulosa cristalina es considerada por algunos como una opción más ecológica y asequible que el publicitado grafeno, y sus aplicaciones incluyen la industria farmacéutica, cosmética, biocombustibles, plásticos y la electrónica.
Según estimaciones del gobierno estadounidense, en 2020 su producción moverá una industria de unos US$600.000 millones anuales.
Transformará la agricultura
Hasta hace poco una de las mayores preocupaciones de los adeptos a la nanocelulosa era cómo producirla en grandes cantidades y a un bajo costo, pero científicos creen que por fin han dado con la técnica para cultivar este material de forma abundante usando algas genéticamente modificadas.
El investigador Malcom Brown, profesor de biología de la Universidad de Texas en Austin, Estados Unidos, y uno de los pioneros en el mundo en este campo de investigación, explicó recientemente durante el Primer Simposio internacional de Nanocelulosa, cómo funcionaría el nuevo proceso.Tendremos plantas para producir nanocelulosa abundantemente y de forma barataMalcom Brown, biólogo
Se trata de un alga de la familia de las mismas bacterias que se usan para producir vinagre, conocidas también como cianobacterias. Unos organismos, que para su desarrollo sólo necesitan luz solar y agua, y que tendrían la ventaja de absorber el exceso de dióxido de carbono en la atmósfera, causante del efecto invernadero.
"Si podemos completar los últimos pasos, habremos completado una de las mayores transformaciones potenciales de la agricultura jamás llevadas a cabo", dijo Brown.
"Tendremos plantas para producir nanocelulosa abundantemente y de forma barata. Puede convertirse en un material para la producción sostenible de biocombustibles y muchos otros productos".
Nanocelulosa cristalina
Se cree que el nuevo método tendría muchas aplicaciones en distintos campos de la ciencia.
La celulosa en sí es uno de los productos más abundantes del planeta, presente en muchos tipos de fibras vegetales. Pero en escala nano las propiedades de este material cambian por completo.
Como pasa con el grafito, material con el que se producen los nanotubos de grafeno (más resistentes que el diamante), en este caso la fibras nano de la celulosa pueden encadenarse en largas fibras, lo que se conoce como celulosa "nanocristalina".
El material resultante es tan resistente como el aluminio y puede usarse tanto para confeccionar chalecos de protección ultraligeros, como para pantallas de dispositivos electrónicos e incluso para cultivar órganos humanos.
Fábrica naturalAunque actualmente ya existen plantas dedicadas a la producción de nanocelulosa cristalina, los elevados costos de producción todavía frenan el crecimiento de esta industria.
La producción de este material generalmente entraña la compresión de fibra vegetal, o el cultivo de grandes tanques de bacterias, que tienen que ser alimentadas con costosos nutrientes.Pero ahora las investigaciones de Brown y su equipo, apuntan al uso de este alga azul-verdosa capaz de generar nanocelulosa naturalmente aunque en pequeñas cantidades. Por ello, el equipo plantea modificarla artificialmente, introduciendo genes de la bacteria Acetobacter xylinum usada para producir vinagre.
De este modo, el alga podría producir el material en grandes cantidades y sin necesidad de aportar nutriente alguno, más allá de suministrarle agua y exponerla a la luz del sol.
Hasta el momento, observó Brown, el equipo de investigación ha logrado que este alga cree una larga cadena de nanocelulosa, pero ahora trabajan para que el organismo sea capaz de producirla directamente en su estado cristalino, cuando es más estable y fuerte.
Este chip funciona y está fabricado con nanocelulosa
La basura electrónica es un problema importante que aún tenemos que resolver. La cantidad de
residuos procedentes de los dispositivos electrónicos que estamos acumulando globalmente es
una amenaza para el medioambiente, pero, afortunadamente, ya hay científicos trabajando en ello.
Con frecuencia una mejora relativamente pequeña puede marcar una diferencia importante a
gran escala, y esto es lo que parece defender Jack Ma, un profesor de ingeniería eléctrica e
informática en la Universidad de Wisconsin, y sus colegas.
El equipo dirigido por Ma ha conseguido fabricar chips de arseniuro de galio que, en vez de utilizar
las habituales obleas de silicio, recurren a una base de nanocelulosa, un material derivado de la
madera, y, por tanto, biodegradable. Precisamente, que pueda descomponerse en poco tiempo es
la clave para que, una vez que no resulten útiles, su materia sea «reciclada» por la propia
naturaleza y no represente una amenaza para el medio ambiente.
Rinden como los chips normales
La solución propuesta por Ma no elimina completamente el material semiconductor, como cabe
esperar, pero, según este investigador, reduce su presencia en un circuito nada menos que 5.000
veces. Además, la nanocelulosa es fácilmente descompuesta por los hongos comunes, y parece
que no deja ni rastro. Ahora podemos preguntarnos si un chip que utiliza nanocelulosa tiene las
mismas propiedades eléctricas, y, sobre todo, el mismo rendimiento que un chip normal. Según
Ma, sí, aunque parece que la respuesta a esta pregunta aún no es un sí rotundo.
Por el momento estos investigadores han conseguido fabricar chips de comunicaciones que
podrían ser integrados en dispositivos que utilizamos habitualmente, como smartphones o tablets,
y que rinden prácticamente igual que los chips convencionales. Pero que, como hemos visto,
contaminan mucho menos. Según Ma, esta estrategia también podría utilizarse en la fabricación de
las células fotovoltaicas de los paneles solares, y posiblemente en el futuro encuentren la forma de
aplicar esta tecnología a otros circuitos electrónicos, por lo que todo esto pinta bien.
Habitualmente cuando os hablamos de una innovación como esta solemos concluir el post
diciéndoos que la tecnología mencionada aún no ha salido del laboratorio. Pero este no es el caso.
Los investigadores responsables de estos chips con sustrato de nanocelulosa aseguran que su
tecnología está lista para ser aplicada a escala industrial. Otra cosa muy diferente es que los
fabricantes de dispositivos electrónicos decidan apostar por ella. Curiosamente, cabe la posibilidad
de que los primeros en optar por estos chips «de madera» sean los militares estadounidenses por
una razón: si alguno de sus dispositivos electrónicos cae en manos enemigas, se «autodestruirá»
pronto por sí solo.
Vía | MIT Technology Review
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