ナノセルロースは、分子レベル近くで再編成された植物壁の材料であるナノ構造セルロースでできています。これにより、ユニークな特性が得られます。木材パルプを藻類に供給するか、手作業で木材パルプからセルロースを分離し、結晶構造または繊維構造に再配置することにより、大量に製造されます。ナノセルロースは持続可能で、再生可能で、生体適合性があります。
この素材には、高アスペクト比、強度、表面積など、いくつかの独自の特徴があり、プラスチックや従来のセルロース製品の環境に優しい代替品となる可能性があります。これらはこの素材の最も興味深い用途の一部であり、今後数年間でいくつかの分野を混乱させる可能性があります.
1.プリンテッド エレクトロニクス
導電紙と呼ばれるナノセルロース製品は、紙のように薄く、柔軟性があり、従来の製品よりもはるかに環境に優しいさまざまな電子機器を可能にする可能性があります。
印刷可能な電子機器は、基板表面に直接印刷されたインクで作られています。インクは、トランジスタ、コンデンサ、抵抗などの電子部品を形成します。その結果、簡単な計算とインタラクティブな機能を備えた非常に手頃な価格のアイテムが実現しました。実際には、これらの電子機器は、RFID タグ、センサー、おもちゃ、インタラクティブな製品ラベルをサポートするのに十分強力です。
通常、メーカーはこれらの柔軟な電子機器を、紙のようなより持続可能な素材ではなく、プラスチック基板に印刷します。初期の実験では、材料の不透明性、多孔性、および表面粗さが高いため、プラスチックの代替品として実用的ではないことがわかりました。
ナノセルロースには、これらの材料に勝る利点がいくつかあります。これらの製品には、紙のような欠点はありません。基材は透明で無孔性で、表面は非常に滑らかです。同時に、紙と同じくらい柔軟です。ナノセルロース基板が十分に薄い場合、それ自体が損傷しても折り畳むことができます.
ナノセルロースは、プラスチックよりもはるかに環境に優しいです。
まだ実験段階ですが、プリンテッド セルロース エレクトロニクスは、従来のエレクトロニクスよりもはるかに持続可能である軽量で低コストのエレクトロニクスを可能にする可能性があります。
2.低コストの浄水器
水不足は、21 世紀の最も重要な課題の 1 つになると予測されています。低コストで軽量なフィルターの製造は、きれいな飲料水へのアクセスが限られている世界中の人々にライフラインを提供する可能性があります.
多くのナノマテリアルと同様に、ナノセルロースの独自の構造により、液体を浄化できます。膜に成形すると、非常に効果的な水フィルターとして機能します。現在の研究では、この素材が水から重金属イオンや染料を引き出すのに特に優れていることがわかっています。また、ナノセルロースが液体から微生物やウイルスを除染するのに効果的であるという証拠もあります.
ナノセルロースは、これらの浄水器を実用化できるほど広く製造されていません。ただし、ナノセルロースの製造コストを削減する進歩と、生産能力の拡大により、これらのフィルターがすぐに使用可能になる可能性があります.
3.空気浄化
ナノセルロースを優れた水フィルターにするのと同じ特性が、空気から不純物を除去するのにも役立ちます.
1 つのナノセルロース ベースのエア フィルターは、ほこり、すす、スモッグ、水滴などの微粒子を最大 99% 除去しました。この微粒子物質への暴露は、いくつかの深刻な健康問題に関連しています。フィルターは通気性も高く、フィルターを通過する空気の流れを著しく妨げませんでした。
これにより、ナノセルロース エア フィルターは、住宅用および商業用 HVAC システムの優れた選択肢となる可能性があります。従来の高 MERV エア フィルターはほとんどの微粒子を捕捉しますが、気流を制限することで HVAC システムにさらに負担をかける傾向があります。
費用対効果が高く、透過性が高く、粒子を効果的に捕捉するフィルターは、病院、工場、空気の質が低い地域など、さまざまな環境で不可欠になる可能性があります.
4.薬物送達システム
ナノセルロースの主な種類の 1 つであるセルロース ナノクリスタル (CNC) は、生分解性と生体適合性があります。それらは、免疫系によって攻撃されたり、体内で毒性反応を引き起こしたりする可能性が低くなります.
このため、研究者は、代替組織、代替インプラント、新しいバイオセンサー、薬物送達デバイス、吸収性止血剤など、幅広い潜在的な生物医学的用途で CNC の使用をテストしてきました。
生物医学科学者は、ナノセルロースを使用して標的薬物放出システムを作成してきました。特定の pH レベルに反応するように設計されたナノセルロースに薬を入れることで、人の消化器系の特定の部分でのみ放出される治療法を作成できます。この薬物送達システムにより、胃、結腸、腸の細胞を直接標的にすることができます。
ある研究では、研究者はクルクミン、抗増殖特性を持つクミン抽出物、およびナノセルロースを含む複合体を使用して、結腸および前立腺の癌細胞を標的とする薬物を送達しました.彼らは、直接送達システムがクルクミン単独よりも効果的な抗増殖効果を生み出すことを発見しました.
いくつかの研究では、CNC で作られた磁化ヒドロゲル ビーズを介したデキサメタゾンの送達など、他の薬物デバイスを使用した実験が行われています。
まだ実験段階ではありますが、ナノセルロース製造プロセスの低炭素コストとシンプルさは、新しいドラッグデリバリーシステムの有力な候補です.
5.組織工学
ティッシュ エンジニアリング (TE) は、失われた、または損傷した組織や臓器の生物学的代替物を作成することに焦点を当てた、生物医学工学において急速に成長している分野です。薬物送達システムと同様に、ナノセルロースの持続可能性、生体適合性、生分解性により、生物医学研究でますます人気のある材料になっています。
これまでのところ、研究者は CNC を使用していくつかの異なる方法で TE をサポートしてきました。最も一般的なものの 1 つは、足場として使用することです。つまり、細胞接着と新しい組織の発生を構造的にサポートします。コラーゲン、ゼラチン、乳酸などの他の生体材料と組み合わせることで、CNC は一種の高度な創傷被覆材として機能し、皮膚を失った患者や臓器損傷を受けた患者の組織再生プロセスを大幅にスピードアップできます。
薬物送達システムと同様に、ナノセルロースの生体適合性と生分解性により、ナノセルロースは組織工学の優れた候補となります.
6.柔軟な紙ベースの電池
ナノセルロース繊維 (NCF) を使用して、新しい種類のリチウム金属電池を作成できます。 NCF は、正ノードと負ノードの間のセパレーターとして機能するだけでなく、それらのノードが上に構築される基板としても機能します。
これらのリチウム金属電池は、エネルギー貯蔵のための高い容量を持ち、構造が弾力性があり、泡のようなものです。この素材は柔らかくて丈夫で、大きく曲げたり伸ばしたりしても壊れません。この柔軟性により、よりクリエイティブなバッテリー設計が可能になります。
これらのバッテリーに関するある研究の背後にいる研究者は、将来の電気自動車や衣服にさえ使用できると考えています.
7.緑の断熱材
ナノセルロースの高い表面積と均一な構造により、効果的な絶縁体になります。
ある研究によると、発泡スチロールよりも断熱効果の高いナノセルロースから発泡体を作ることが可能です。得られた素材は非常に強く、変形することなくその重量の 200 倍を支えることができます。
発泡スチロールは一般的な低コストの断熱材ですが、環境に大きな影響を与える可能性もあります。素材は石油由来のプラスチックであるポリスチレンから製造されており、生分解しません。軽量であるため、風に飛ばされやすく、廃棄物収集システムから逃れることがよくあります。
発泡スチロールに代わる持続可能で生分解性のある代替品は、安価に製造できれば、埋立地にある石油ベースの製品の最も重要な供給源の 1 つを置き換えるのに役立つ可能性があります。
ナノセルロースが私たちの生活をどのように変えるか
これらのアプリケーションのほとんどはまだ実験段階です。ナノセルロースを大規模に製造するための確立されたプロセスはまだありません。この材料の市場は急速に成長していますが、ナノセルロースを大規模に実用化するには、まだ研究を行う必要があります。
しかし、これらの実験は、材料が持つ計り知れない可能性を示しています。さまざまな分野でプラスチックに取って代わり、発泡スチロールの断熱材が不要になり、電気自動車の実用化に役立つ可能性があります。
生分解性があり、製造プロセスが持続可能であるため、この素材は日常生活をより環境に優しいものにするのに役立ちます.
