النانوسليلوز هو أكثر موارد الكتلة الحيوية وفرة على الأرض. يتميز بالتحلل السهل، والتجديد، وعدم السمية، والرخيصة وسهلة الحصول عليها، ومن المتوقع أن تحل محل الموارد البتروكيماوية التقليدية وتستخدم لإنتاج العديد من المواد الوظيفية المتقدمة ذات القيمة المضافة العالية. وفقًا لطريقة التحضير ومصدر النانوسليلوز، يمكن تقسيم النانوسليلوز إلى ثلاث فئات: السليلوز النانوي البلوري (CNC) والسليلوز النانوسليلوز (CNF) والسليلوز البكتيري (BC).

الشكل 1. المصادر والبنية المجهرية والتطبيقات المحتملة للسليلوز النانوي

المواد الوظيفية النانوسليلوزية للضوئيات اللولبية

الكيرالية منتشرة في الطبيعة وتلعب دورًا مهمًا في علوم الحياة وعلوم المواد. CNC هي مادة بلورية فوتونية كيرالية نانومترية. لا يمكن استخدام بنية الطور البلوري السائل النيماتي الكيرالي لـ CNC لإعداد مواد فيلم وظيفية ذات خصائص ميكانيكية عالية وخصائص بصرية خاصة فحسب، بل يمكن استخدامها أيضًا كنوع من القالب الناعم الخام لتحفيز الجسيمات النانوية على تكوين مواد وظيفية ذات بنية كيرالية. لذلك، فإن التحفيز الكيرالي والمواد الميتاكيرالية والتشفير الاستقطابي والاستشعار الحيوي لها قيمة تطبيقية مهمة.

الشكل 2. تطبيق المواد الوظيفية النانوسليلوزية في الفوتونيات الكيرالية

المواد الوظيفية النانوسيلولوزية لبرامج تشغيل البرامج

في السنوات الأخيرة، صمم العلماء ببراعة مجموعة متنوعة من المحركات الذكية المحاكية للحيوية القائمة على مواد ناعمة مشتقة من بوليمرات صناعية مختلفة، مثل الهلاميات المائية النموذجية، وإيلاستومرات الكريستال السائل وبوليمرات الذاكرة الشكلية، لتقليد أو حتى تجاوز سلوك القيادة للكائنات الحية. ومع ذلك، فإن هذه المواد التقليدية القائمة على البوليمر يتم تصنيعها عادةً من خلال عمليات معقدة، وهي مكلفة ويصعب تحللها أو إعادة تدويرها، مما قد يفرض عبئًا معينًا على البيئة. تجدر الإشارة إلى أن برامج التشغيل المحاكية للحيوية القائمة على النانوسليلوز قد جذبت المزيد والمزيد من الاهتمام بسبب مرونتها الميكانيكية الفائقة، وقدرتها العالية على امتصاص الرطوبة، والاستدامة أو الصديقة للبيئة، وقابليتها لإعادة الاستخدام أو التحلل البيولوجي والتوافق البيولوجي.

مواد وظيفية النانوسليلوز لتخزين الطاقة

الشكل 3. تطبيق المواد الوظيفية القائمة على السليلوز النانوي في مجال برامج التشغيل

تتميز النانوسليلوز بمساحة سطحية كبيرة ومرونة ميكانيكية ممتازة واستقرار كيميائي جيد وصديق للبيئة، وتتشابك الألياف مع بعضها البعض. من السهل تكوين بنية مسامية لنقل الأيونات والإلكترونات. تلتصق المجموعات الوظيفية المحبة للماء مثل مجموعة الهيدروكسيل ومجموعة الكربوكسيل على سطح الألياف، والتي تتمتع بقدرة جيدة على الاحتفاظ بالرطوبة في محلول الإلكتروليت، مما يجعل المواد الوظيفية المشتقة لها آفاق تطبيق واسعة في مجال تخزين الطاقة. لا يمكن استخدام المواد الوظيفية القائمة على النانوسليلوز فقط كمكونات مختلفة لأجهزة تخزين الطاقة، مثل الحجاب الحاجز والإلكتروليت والمواد اللاصقة والناقلات. في الوقت نفسه، يمكن استخدام استراتيجيات الكربنة عالية الحرارة والبلمرة الكيميائية في الموقع والترسيب الكهروكيميائي للتركيب مع المواد النشطة كهربائيًا للحصول على هياكل نانوية أدق وخصائص كهروكيميائية ممتازة.

الشكل 4. تطبيق المواد الوظيفية القائمة على السليلوز النانوي في مجال تخزين الطاقة

المواد الوظيفية النانوسليلوز للتطبيقات الطبية الحيوية

في الحالة الجافة، تكون الخصائص الميكانيكية للنانوسليلوز مماثلة للعظام البشرية، بينما في الحالة الرطبة، تكون الخصائص الفيزيائية والكيميائية للنانوسليلوز مماثلة للمصفوفة خارج الخلية. وفي الوقت نفسه، بالإضافة إلى الخصائص الفيزيائية والكيميائية الممتازة، يتمتع النانوسليلوز بتوافق عالٍ مع البوليمرات الأخرى أو المواد الوظيفية، مما يجعل المواد الوظيفية للنانوسليلوز تتمتع بقيمة عملية جيدة وآفاق تطبيق واسعة في المجال الطبي الحيوي.

الشكل 5. تطبيق المواد الوظيفية القائمة على السليلوز النانوي في المجال الطبي الحيوي