La cel·lulosa és dura, però flexible; fibrosa, però suau, i molt afí a l'aigua, encara que completament insoluble en ella. Totes estes qualitats han contribuït al fet que portem milers d'anys usant-la, però el material més abundant del planeta Terra també té un costat nano amb un enorme potencial. “La mateixa cel·lulosa del cotó o del paper que tantes vegades al dia utilitzem per a diversos fins té una organització que alberga xicotetes nanoestructuras amb inigualables propietats físiques i químiques”, explica Jose Miguel González, investigador del CSIC i autor de ‘La nanocelulosa’, un text que presenta l'exemple més paradigmàtic de nanotecnologia generada per la pròpia naturalesa. “A més de fort i lleugera, la *nanocelulosa també és un material renovable, biodegradable i completament natural. És un ‘tresor’ que ha romàs ocult en les estructures de les plantes i d'altres éssers vius i, gràcies a les investigacions actuals, s'està transformant en un recurs molt valuós”, assenyala el científic de l'Institut de *Carboquímica (*ICB).

Després de fer un breu recorregut per les bases de la nanociència i la nanotecnologia, el nou llibre de la col·lecció Què sabem de? posa el focus en “la naturalesa com la major i la millor entitat fabricadora de nanomaterials”. Per a això utilitza exemples com el dels bacteris magnetotácticas, capaços de generar nanopartícules magnètiques en el seu interior per a guiar-se pel camp magnètic terrestre. A continuació, descriu les característiques de la cel·lulosa i el seu ús industrial per a entrar de ple en tots els avanços nanotecnológicos que està possibilitant la nanocelulosa que deriva d'ella: des de ser una ferramenta per a processar de manera sostenible altres materials a solucionar grans reptes en àrees tan importants com l'energia, el medi ambient, el processament d'aliments o la biomedicina.

Nanomaterials amagats en les plantes

La cel·lulosa constituïx el component principal de les plantes, sobretot de tiges, troncs i parts llenyoses, i també és present en bacteris, fongs, algues i, fins i tot, en alguns animals. “És un biopolímer format per la unió repetitiva de molècules de glucosa i la seua morfologia aparentment és molt senzilla, però quan l'analitzem detalladament podem trobar nanoestructuras cristal·lines amb propietats excepcionals”, assenyala l'autor.

Si ens fixem en l'estructura més elemental de la cel·lulosa, quan les primeres cadenes de glucosa polimeritzada tracten d'entrellaçar-se per a formar fibres de major orde, poden succeir dos situacions: que les cadenes es ‘empaqueten’ bé, de manera compacta i regular, o bé que no arriben a organitzar-se de cap mode específic i queden regirades o embullades. De fet, en una mateixa fibra de cel·lulosa coexistixen les dos situacions.

“Quan mitjançant tractaments físics o químics se separa la madeixa cel·lulòsica, emergix una nanoestructura lleugera, resistent i emmotlable anomenada nanofibra de cel·lulosa composta per fibres de 10-100 nanòmetres (nm) de diàmetre i diverses micres de longitud”, explica l'investigador. “Quan aïllem les zones més compactes i perfectament ordenades, apareixen xicotetes ‘estelles’ cristal·lines denominades nanocristal de cel·lulosa”, afig. Estes estructures diminutes, amb forma d'agulla i unes dimensions d'entre 5-20 *nm de diàmetre i 100-300 nm de longitud, tenen una resistència mecànica amb valors similars al titani o l'alumini.

Als nanomaterials vegetals se suma la variant de la nanocelulosa bacteriana. “Mitjançant una complexa maquinària de proteïnes, enzims i catalitzadors biològics, els bacteris aconseguixen generar unes nanofibras de cel·lulosa que s'entrellacen atrapant aigua en el seu interior”, referix l'investigador. D'esta manera, la cel·lulosa bacteriana naix en forma de pel·lícula gelatinosa i presenta molt bones propietats físiques i químiques.

Una alternativa real al plàstic

En el cas dels envasos i recobriments protectors alimentaris, la necessitat de substituir plàstics d'un sol ús és urgent, i la nanocelulosa emergix com una alternativa ecològica i funcional per al desenrotllament de materials biodegradables de preservació alimentosa, compostables i reciclables. Les pel·lícules basades en *nanocelulosa mostren resistència a la tracció, baixa permeabilitat a l'oxigen i alta transparència, la qual cosa les fa ideals per a aplicacions que requerisquen contacte amb aliments. “A més, la seua superfície rica en oxigen permet modificacions químiques que milloren la resistència a la humitat o incorporen funcionalitats actives com a substàncies antioxidants, antimicrobianes o sensors de frescor”, apunta el científic del ICB.

A totes estes prestacions se suma l'escalabilitat de la producció de nanocelulosa a partir de residus agrícoles, de paper reciclat o a partir de l'activitat de microorganismes, la qual cosa reforça la seua viabilitat econòmica i ambiental.

Nanocelulosa al servici de la salut

Altra de les grans àrees d'aplicació d'este nanomaterial es troba en l'àmbit biomèdic. Jose Miguel González destaca que la nanocelulosa és un nanomaterial idoni per a interactuar amb sistemes i entorns biològics, ja que “la seua biocompatibilitat, capacitat de retenció d'aigua, possibilitat d'esterilització i estructura porosa faciliten l'adhesió cel·lular i la regeneració de teixits de manera segura i funcional”.

Els exemples de l'ús de nanoceluosa en medicina són tan diversos com sorprenents: actuen com a suport tridimensional per a albergar el creixement de cèl·lules per a la regeneració òssia, de cartílags o pell, i s'utilitzen per a alliberar compostos bioactivos de manera controlada.

A més, la seua capacitat per a formar pel·lícules primes i transparents la fa útil en apòsits intel·ligents que monitoren l'estat d'una ferida o alliberen medicaments segons estímuls externs, un desenrotllament que “està transformant el tractament de les ferides perquè, entre altres qualitats, els apòsits amb nanocelulosa manquen de toxicitat, milloren el desenrotllament dels teixits en procés de reconstitució i, amb modificacions específiques, estos apòsits també poden tindre activitat antimicrobiana”, il·lustra l'autor. “S'ha descobert que la nanocelulosa bacteriana millora el tractament de les cremades cutànies en refredar la superfície per evaporació i facilitar la cicatrització sense requerir canvis freqüents d'apòsit”, comenta.

Dispositius electrònics degradables

A pesar que la cel·lulosa no tinga conductivitat suficient, l'electrònica també pot veure's beneficiada amb el seu ús. “En ser lleugera, transparent i químicament estable és ideal per a substrats de pantalles, de circuits impresos i de sensors portàtils”, esmenta l'investigador del CSIC. Encara que “si hi ha una aplicació estrela en el camp dels dispositius electrònics o d'emmagatzematge d'energia és el de l'electrònica efímera, basada en l'ús de materials i dispositius que es degraden de manera controlada sense deixar residus perjudicials”.

Un altre gran objectiu d'aplicació està relacionat amb el tractament i anàlisi de l'aigua. “Des de l'Institut de Carboquímica, en col·laboració amb la Universitat Tecnològica Metropolitana de Xile i la Universitat d'Almeria, estem investigant un sensor electroquímic per a la detecció ràpida, sensible i respectuosa amb el medi ambient de sulfametoxazol, un antibiòtic catalogat com a contaminant de preocupació emergent, en aigua”, descriu el científic.

L'horitzó nanotecnológico de la cel·lulosa és tan divers com prometedor, però la pràctica totalitat d'estes aplicacions es troben en fase experimental, a escala de laboratori. En tot cas, l'investigador insistix que els sectors del plàstic, la medicina i l'electrònica concentren una gran part de la investigació actual en nanocelulosa i representen àrees estratègiques per a la transició ecològica. “La convergència entre sostenibilitat, funcionalitat i innovació tecnològica convertix a la nanocelulosa en un material clau per al futur, capaç de transformar indústries senceres i contribuir als ODS de Nacions Unides”, conclou.

La nanocelulosa és el número 175 de la col·lecció Què sabem de? (CSIC-Cataracta). Per a sol·licitar entrevistes amb l'autor o més informació, contactar amb: comunicacion@csic.es (91 568 14 77).

Sobre l'autor

Jose Miguel González Domínguez és científic titular del CSIC en l'Institut de *Carboquímica (ICB-CSIC) de Saragossa. Desenrotlla la seua carrera investigadora des de 2007 en l'àmbit de la química de nanoestructuras de carboni. Des de 2018, s'ha centrat en nanomaterials emergents provinents de la naturalesa, com la nanocelulosa o la nanoquitina, aconseguint una nanotecnologia més biocompatible i respectuosa amb el medi ambient. Ha creat la iniciativa educativa INCLUCIENCIA, coordina la Unitat de Divulgació i Comunicació Científica del ICB-CSIC i pertany al grup de treball de Ciència Inclusiva de la Vicepresidència Adjunta de Cultura Científica i Ciència Ciutadana del CSIC. Va ser designat per la Unió Internacional de Química Pura i Aplicada (IUPAC) com un dels jóvens químics més representatius a nivell mundial, atorgant-li l'element Carboni en la seua taula periòdica de jóvens químic@s.