Pequeñas esferas de carbon dots podrán utilizarse en pantallas de aparatos electrónicos (arriba) y Nanocristales utilizados para reforzar cementoFabiano Pereira/ UFMG | Universidad de Purdue
La declinación de la industria del papel, asociada a los progresos en la tecnología de materiales, ha puesto en escena a un nuevo actor que ha despertado interés empresarial: la nanocelulosa. La celulosa a escala nanométrica (para que se la considere como tal, al menos una de sus dimensiones debe tener menos de 100 nanómetros, o nm) puede tener formato de nanofibrillas o nanocristales. Las primeras tienen forma de espagueti y se entrelazan fácilmente, destinándoselas preferentemente al refuerzo de envases plásticos. En tanto, los nanocristales de celulosa, que miden entre 5 y 20 nm de ancho y de 100 a 500 nm de longitud, tienen apariencia de granos de arroz y se los considera más nobles, ya que pueden tener carga eléctrica sobre la superficie y propiedades químicas, ópticas y electrónicas. Este nuevo material se caracteriza por su estructura cristalina nanométrica, existente en el interior de cualquier fibra vegetal.
Extraídos de la celulosa, la materia prima para la fabricación del papel, los nanocristales pueden tener su origen en madera de reforestación, pero también en restos de madera, bagazo de caña de azúcar, cáscaras de coco y de arroz y residuos de la producción de aceite de soja y de palma. Tienen origen renovable, son livianos y biodegradables, por eso corren con ventaja con respecto a otros materiales sintéticos, muchas veces provenientes de derivados del petróleo. Y sus potenciales aplicaciones son diversas: en el refuerzo de materiales plásticos y de cementos, en sensores de la industria del petróleo y gas, en apósitos especiales y prótesis, en pinturas, revestimientos, cosméticos y, mediante el agregado de otras sustancias, en la industria electroelectrónica. Por ahora, no existen productos comerciales fabricados con nanocristales: la todavía incipiente producción mundial de este material se destina a clientes que puedan desarrollar aplicaciones y crear mercados.
Brasil ha invertido en este material prometedor, al adquirir participaciones en empresas extranjeras productoras de nanocristales. En 2013, Granbio, una empresa brasileña de biotecnología industrial, adquirió el 25% de American Proces Inc. (API), de Estados Unidos. API anunció en 2015 una nueva tecnología de bajo costo destinada a la extracción de nanocelulosa de biomasa e inició la producción en fase precomercial. Granbio, una de las dos compañías existentes en el país que poseen la tecnología como para fabricar etanol de segunda generación partiendo del bagazo de la caña de azúcar (lea en Pesquisa FAPESP, edición nº 235), invirtió en API para tener acceso a la tecnología de pretratamiento de la biomasa. En un comunicado, la empresa brasileña declaró que invierte en investigación y desarrollo (I&D) de nanocelulosa desde hace cuatro años, y opera a través de API en una planta de Estados Unidos. Las muestras de nanocelulosa producidas se les ofertan a potenciales clientes.
Fibria, una empresa brasileña líder mundial en ventas de celulosa en el mercado, pasó en noviembre de 2016 a ser socia de la canadiense CelluForce, la primera productora comercial de nanocristales de celulosa. Fibria invirtió alrededor de 4 millones de dólares para adquirir un 8,3% de participación en el capital de CelluForce, una startup de FPInnovations, un centro de investigaciones del sector forestal canadiense. FPInnovations (antiguo Pulp and Paper Research Institute of Canada) es titular de la primera patente referente a la producción de nanocristales de celulosa, concedida en 1997. Además de FPInnovations, forman parte del capital de la empresa la también canadiense Domtar, productora de celulosa y papel, y Schlumberger, de origen francés, el mayor fabricante de sistemas y equipos para la industria petrolera. Formada en 2010, CelluForce inauguró su planta piloto en Montreal, Quebec, en 2012. En la actualidad tiene capacidad para producir 300 toneladas anuales, y su producción también se destina a muestras que se les suministran a potenciales clientes.
Para Vinicius Nonino, director de Nuevos Negocios de Fibria y ahora integrante del directorio de CelluForce, ya se sabe que los nanocristales serán útiles en sectores tales como los de papel, cemento y productos medicinales. Estas aplicaciones, que aún deben desarrollarse con respecto a cada sector, según Nonino, podrán significar una importante diversificación de los negocios de Fibria. La empresa posee los derechos de producción en Brasil y de distribución de los nanocristales en toda América Latina. Tanto Celluforce como Fibria serán inicialmente proveedoras de materia prima. Fibria prevé montar una fábrica piloto destinada a la producción de nanocristales de celulosa en su Centro de Tecnología con sede en Aracruz (Espírito Santo) este mismo año.
Este nuevo material ha suscitado interés como reemplazante de materias primas que ya se utilizan y como base para la elaboración de nuevos productos. Estimaciones indican que el precio de los cristales de nanocelulosa podría ser más de 20 veces mayor que el de la celulosa. Según un estudio realizado por la consultora estadounidense Market Research Store, el mercado de nanocelulosa movió 65 millones de dólares en 2015. La empresa estima que ese valor trepará a 530 millones de dólares en 2021, con un aumento del 30% anual.
El interés de la industria
El primer artículo científico sobre la producción de cristales de nanocelulosa fue publicado a comienzos de la década de 1950 por el químico sueco Bengt Rånby, del Royal Institute of Technology (KTH). Con un rico historial en la industria de papel y celulosa, los suecos inauguraron en 2011 la primera planta piloto mundial de extracción de nanofibrillas de celulosa, perteneciente al instituto de investigación Innventia. El uso de nanocelulosa para reforzar materiales tales como papel, compuestos y plásticos venía suscitando el interés de la industria, pero el proceso de extracción requería mucha energía, lo cual lo volvía inviable.
Holmen AB, una empresa sueca de papel y celulosa, se convirtió en accionista principal de la empresa israelí Melodea, desarrolladora de un proceso industrial destinado a la extracción de nanocristales de celulosa del lodo resultante de la fabricación de papel. La empresa investiga el uso de este material en espumas sin ningún tipo de componente plástico y como una forma de incrementar la resistencia de envases, papeles, colas acrílicas y pinturas. En una colaboración de Melodea con Holmen AB, el Instituto Rise (una iniciativa del gobierno sueco en el área de innovación que reúne a Innventia y a otros institutos) y MoRe Research (una empresa sueca de I&D de la industria forestal) están construyendo la primera planta piloto de nanocristales de celulosa de Europa, a 500 kilómetros de Estocolmo, en Suecia.
En Canadá, otro país con un gran historial en la industria de papel y celulosa, además de CelluForce, la empresa Blue Goose Biorefineries vende por 1.000 dólares el kilogramo (kg) de nanocristales en forma de un gel claro y casi transparente. Los compradores del material son empresas e instituciones de investigación que prueban esta materia prima en diversas situaciones y variados productos. La fábrica de la empresa, situada en la ciudad canadiense de Saskatoon, fabrica 35 kg por semana de nanocristales con base en productos con alto tenor de celulosa, tales como pulpa de árboles, papel reciclado, linter de algodón (la pelusa que queda prendida a las semillas) y fibras de lino.
Blue Goose desarrolló un proceso nanocatalítico oxidativo que demanda menos productos químicos y, por ende, sería ambientalmente más favorable para transformar la biomasa en un cristal de dimensiones nanométricas. Los nanocristales se producen actualmente mediante hidrólisis ácida (la separación de las fibras de la madera hasta la extracción de la celulosa y de la forma nanocristalina), en la mayoría de los casos con ácido sulfúrico, pero también con ácido fosfórico o ácido clorhídrico.
Uno de los cuellos de botella del área de I&D reside en la producción de piezas de nanocelulosa de mayores dimensiones: pasar a producir eficientemente este material en metros, y no en centímetros, de manera tal de permitir el análisis de sus características mecánicas y funcionales y el examen de sus beneficios y usos como producto final. Melodea y MoRe Research colaboran en un proyecto tendiente a transformar prototipos de películas, papeles y espumas elaboradas en pequeñas dimensiones en laboratorio, con nanocristales y nanofibrillas de celulosa, en productos listos para salir al mercado. Bajo la coordinación de KTH, en Estocolmo, y con la participación de universidades suecas y de Procesum, una empresa de I&D de biorrefinerías, se elaborarán en la fábrica piloto en construcción, en Suecia, nanocristales, nanofibrillas y sus productos.
En el equipo de investigadores del proyecto se encuentra la brasileña Daniele Oliveira de Castro, química egresada de la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), con maestría y doctorado sándwich en el Instituto Politécnico de Grenoble, en Francia, defendidos en la Universidad de São Paulo (USP), bajo la dirección de la química Elisabete Frollini. En Suecia, Oliveira de Castro desarrolla procesos de producción de papel más resistente con nanocelulosa. “También participo en la creación de espumas de nanocelulosa con propiedades antiflama”, comenta. La investigadora se encuentra en MoRe Research desde septiembre de 2016 y su proyecto culmina en 2018.
La química Juliana Bernardes, del Laboratorio Nacional de Nanotecnología (LNNano), dependiente del Centro Nacional de Investigación en Energía y Materiales (CNPEM), coordina una línea de investigación en la cual se emplean nanocristales y nanofibrillas de celulosa extraídos del bagazo de la caña de azúcar como espesantes de fluidos. “Estos nanomateriales, en pequeñas cantidades, transforman el agua en gel, por ejemplo, que es una característica importante en cosméticos”, explica. Bernardes realizará una pasantía de tres meses en la Universidad de Estocolmo, en Suecia, financiada por la FAPESP, para desarrollar un apósito en forma de gel elaborado con nanofibrillas de celulosa y fármacos cicatrizantes.
Uno de los usos de los nanocristales de celulosa que llama la atención es su aplicación como refuerzo de cementos. En un artículo publicado en la revista Cement and Concrete Composites, en febrero de 2015, se comprobó esta utilización, acorde con un estudio realizado en la Universidad Purdue (EE.UU.). Científicos que trabajaron bajo la coordinación del ingeniero Pablo Zavattieri demostraron que los nanocristales de celulosa pueden aumentar la resistencia a la tracción del hormigón hasta un 30%. Los resultados indicaron que este biomaterial aumenta la hidratación del concreto, fortaleciéndolo. De este modo, sería posible emplear menos cemento en la mezcla. Los resultados llevaron al grupo de Purdue a entablar una colaboración con P3Nano, una organización público-privada creada para investigar el uso de nanomateriales provenientes de la madera. Esta iniciativa cuenta con financiación del Servicio de Silvicultura del Departamento de Agricultura de Estados Unidos (USDA). P3Nano pretende avanzar en esta tecnología para que tenga uso comercial. Para ello seguirá adelante con la participación de los investigadores de la Universidad Purdue, en ensayos a gran escala.
Las investigaciones en Brasil
Varios grupos de científicos estudian la producción y la funcionalidad de los nanocristales de celulosa
Hay varios grupos de investigación en Brasil, en institutos y universidades, que estudian tanto la extracción y la purificación de los nanocristales de celulosa como sus aplicaciones. Dos trabajos recientes abordan una característica de los nanocristales: la reflexión de luz. Uno de dichos estudios apareció estampado en enero de este año en la portada de Advanced Materials, una revista científica del área de materiales. “La novedad consistió en poner cristales líquidos sobre los nanocristales de celulosa para producir películas iridiscentes, que absorben luz y reflejan sólo algunos colores”, comenta Antonio Figueiredo Neto, docente del Instituto de Física de la Universidad de São Paulo. El investigador coordina el grupo que colabora con científicos de instituciones portuguesas. “Con la celulosa logramos una versatilidad de color mayor con respecto a los dispositivos elaborados con material sintético”, sostiene Figueiredo.
En un proyecto de un grupo de investigadores de las universidades federales de Minas Gerais (UFMG), en Belo Horizonte, y de los Valles de Jequitinhonha y Mucuri (UFVJM), en Diamantina, se demostró que los nanocristales de celulosa pueden ser precursores de nanomateriales de carbono, los carbon dots. Éstos podrán utilizarse para reemplazar a los puntos cuánticos (quantum dots) elaborados con materiales semiconductores en dimensiones nanométricas. Las aplicaciones posibles van desde las células solares hasta aparatos de captación de imágenes médicas y displays. Actualmente, los puntos cuánticos están presentes en televisores que poseen este material para dotar de mejor visibilidad y resolución a las pantallas de LED. Son los televisores llamados QLed.
“Desarrollamos un método de pirólisis de nanocristales de celulosa, que así resultan en esferas, los carbon dots, de 4 nm a 8 nm de circunferencia, y que exhiben fotoluminiscencia en los colores verde y azul. Los carbon dots se conocen desde 2004, y en este trabajo demostramos que pueden elaborarse partiendo de una fuente renovable y abundante que es la celulosa”, explica el químico Fabiano Pereira, docente de la UFMG. “Otra ventaja de los carbon dots reside en que no tienen toxicidad.”
Proyecto
1. Estudio del uso de nanopartículas de celulosa en el control reológico de fluidos complejos (nº 16/04514-7); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigadora responsable Juliana da Silva Bernardes (CNPEM); Inversión R$ 115.773,36
2. Propiedades ópticas y estructurales de elastómeros y fluidos complejos de interés biológico (nº 11/13616-4); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Antonio Martins Figueiredo Neto (USP); Inversión R$ 2.519.727,73
