Hvordan nanocellulose kan revolusjonere bærekraftige materialer

Nanocellulose, et materiale utvunnet fra cellulosenanofibre, har fått betydelig oppmerksomhet de siste årene på grunn av sine imponerende egenskaper. Denne unike substansen er kjent for sin ekstreme styrke, lette vekt og høye transparens, noe som har gjort den til et sentralt fokus i utviklingen av bærekraftige og innovative materialer. Fra fleksible elektroniske enheter til høyytelses solcellepaneler, viser nanocellulose et stort potensial på tvers av en rekke industrielle applikasjoner.

Cellulose, den naturlige polymeren som utgjør hovedkomponenten i plantecellens cellevegg, er allerede et allment kjent materiale. Når cellulose blir bearbeidet på nanoskala, får man et stoff med egenskaper som overgår de originale materialene på mange områder. Den høytransparente naturen til cellulose nanopapir, for eksempel, gjør det til et ideelt materiale for fleksible og gjennomskinnelige elektroniske enheter. Disse papirene, laget av cellulose nanofibre (CNF), har allerede blitt brukt i utviklingen av gjennomskinnelige transistorer, perovskitt solcellepaneler og til og med bøyelige elektroniske enheter.

En av de mest bemerkelsesverdige egenskapene ved nanocellulose er dens evne til å fungere som et svært effektivt substrat i elektroniske applikasjoner. Transistorene basert på cellulose nanopapir har blitt ansett som et gjennombrudd i utviklingen av bærekraftig elektronikk. Dette fordi de både er fleksible og gjennomskinnelige, og derfor egner seg til bruk i alt fra foldbare skjermer til solcellepaneler som kan integreres i ulike typer bærbare teknologier.

I tillegg til deres elektriske egenskaper har cellulose nanofibre også vist seg å være meget effektive som varmeledere. Dette gjør nanocellulose ideelt for bruk i materialer som krever termisk stabilitet og høy transparens, som for eksempel i solcellepaneler. Dette har åpnet døren for nye muligheter innen solenergi, der nanocellulosebaserte materialer kan forbedre effektiviteten til solceller ved å redusere vekten og samtidig opprettholde høyere nivåer av varme- og lysgjennomgang.

I andre applikasjoner er det spennende utvikling rundt bruken av nanocellulose i optisk transparente materialer, som kan erstatte mer tradisjonelle, mindre bærekraftige alternativer som plast. Gjennombrudd i produksjon av cellulose nanopapir med høye optiske egenskaper har ført til at dette materialet har blitt brukt i fremstilling av alt fra visittkort til spesialiserte trykkprodukter. Nanocellulosebaserte materialer har også vist stor potensial som substrat for trykking og fargegjengivelse, og deres stabilitet og optiske egenskaper har ført til en økning i kvaliteten på grafiske utskrifter.

En annen fascinerende anvendelse av nanocellulose er i utviklingen av nanostrukturerte filmer som kan brukes til å erstatte glass i arkitektoniske og industrielle applikasjoner. For eksempel har gjennomskinnelig tre, laget ved hjelp av nanocellulose, blitt foreslått som en innovativ løsning for byggematerialer. Dette treet, som har fått sin opprinnelige struktur bevart samtidig som det er gjort optisk transparent, kan revolusjonere byggindustrien ved å tilby et bærekraftig, lett og energieffektivt alternativ til tradisjonelle byggematerialer.

Denne teknologien har flere fordeler. Ved å bruke cellulose fra planter kan man redusere behovet for syntetiske og petroleumsbaserte materialer, og dermed redusere miljøpåvirkningen. Cellulose er biologisk nedbrytbart og kan, når den er behandlet på riktig måte, bidra til å skape en mer bærekraftig og resirkulerbar fremtid for materialindustrien. Den høye grad av tilpasningsdyktighet hos nanocellulose gjør det også mulig å modifisere materialet for spesifikke bruksområder, for eksempel gjennom kjemiske behandlinger eller blanding med andre materialer som kan forbedre dens mekaniske eller elektriske egenskaper.

Et sentralt aspekt ved utviklingen av nanocellulosebaserte materialer er kostnadene ved produksjon. Selv om det er mulig å produsere cellulose nanofibre i stor skala, er kostnadene forbundet med produksjonsprosessen fortsatt høyere enn tradisjonelle materialer som plast eller metall. Det pågår imidlertid kontinuerlig forskning på måter å redusere produksjonskostnadene og forbedre prosessene for å gjøre nanocellulose mer økonomisk tilgjengelig på global skala.

En annen utfordring som fortsatt gjenstår, er å opprettholde de ønskede materialegenskapene over tid. For eksempel kan mekanisk belastning eller miljøpåvirkning påvirke både styrken og de optiske egenskapene til nanocellulose, spesielt i produkter som utsettes for ekstreme forhold som høye temperaturer eller fuktighet. Dette har ført til forskning på hvordan man kan forbedre materialets stabilitet under forskjellige forhold, samt hvordan man kan forbedre prosessene for å gjøre nanocellulose enda mer robust.

Hvordan øke varmeledningsevnen i kompositter: Anisotropiske termisk ledende filmer og utfordringer med polymerkompositter

En gruppe forskere har lykkes med å produsere anisotropiske termisk ledende filmer ved å sekvensielt sette sammen grafenoksid (GO) og nano-fibrillert cellulose (NFC) på et fleksibelt NFC-substrat (Song et al., 2017). Prosessen innebar kjemisk reduksjon og hydrogenbindinger, som resulterte i dannelsen av en hierarkisk struktur av nanosheets, bestående av redusert grafenoksid (rGO). Nanosheetene viste en betydelig grad av planorientering, noe som økte den in-plane varmeledningsevnen i filmen til 12,6 W (mK)−1. Inspirert av orienteringen og grensesnittet i naturlig perlemor, ble det også laget mekanisk robuste hybridpapir basert på bor-nitrid-nanosheets (BNNS) og GO ved hjelp av en enkel VAF-teknikk. Den termiske ledningsevnen i disse papirene ble økt til 29,8 W (mK)−1 takket være den synergistiske og brobyggende effekten av grafenoksid i bor-nitrid-nanosheets med bare 5 vekt% GO-innhold (Yao et al., 2016).

For å forstå varmeledningsmekanismen i polymerkomposittpapirmaterialer ble det forberedt en blanding av redusert grafenoksid (RGO)/grafenoksid (GO) med nano-fibrillert cellulose (NFC). RGO-nanosheetene ble integrert gjennom et lagdelt struktur i NFC-polymermatrisen (se figur 15.4). Denne hybride strukturen viste anisotropiske høy in-plane og ut-of-plane varmeledningsevner. Med disse arkene av RGO og GO ble en struktur laget med forskjellige tilkoblede veier, hvor varmeledningen ble økt og termisk motstand redusert (Song et al., 2016). Den in-plane varmeledningsevnen var relativt høy sammenlignet med den ut-of-plane varmeledningsevnen på grunn av den lave varmeledningsevnen til NFC (0,034 W (mK)−1), som begrenset varmeoverføringen i ut-of-plane retning. Derfor krever materialer som håndterer varmespredning i termiske grensesnitt en høy varmeledningsevne i begge retninger.

Når det gjelder trykking av ledende blekk med nanopartikler på papirmaterialer, oppstår flere utfordringer. Nanopartiklene har en tendens til å trenge inn i papirens porer og delvis segmentere, og den nødvendige lavtemperatur-sinteringsprosessen kan skade papirens dimensjonale stabilitet. Wu et al. (2014) prototypet trykte termoplastiske elektrisk ledende lim (ECA) og papirbaserte kretssubstrater som utnyttet papirens kapillæreffekt for å betydelig forbedre ledningsevnen og den mekaniske robustheten til de trykte kretsene—alt uten å måtte bruke sinteringsprosessen. Den kapillære kraft-assisterte utviklingen av kondenserte ledende spor av ECA er illustrert i figur 15.5.

Imidlertid er det en balansegang mellom å forbedre varmeledningsevnen og opprettholde mekanisk styrke i komposittmaterialene. Selv om innsettingen av høye termisk ledende fyllstoffer kan øke varmeledningsevnen, kan det gå på bekostning av materialets mekaniske egenskaper. Flere studier har derfor blitt gjennomført for å takle denne utfordringen. For eksempel brukte Yang et al. (2024) fryse-støping og vakuum-infiltrasjonsteknikker for å lage en 3D-epoksykompositt med CNF og to forskjellige diametre av AlN, som viser lovende resultater som et materiale for effektiv termisk styring i elektroniske enheter.