Effetto dei metodi di essiccazione sugli aerogel e sui criogel di cellulosa batterica di Acetobacter xylinum

Dal tè e zucchero a spugne high-tech

La cellulosa batterica può sembrare esotica, ma è una forma naturale e ultrapurissima di cellulosa che microorganismi minuscoli possono produrre a partire da ingredienti quotidiani come zucchero e tè. Poiché forma un solido leggero e a rete con un’immensa area superficiale interna, questo materiale è promettente per filtri, isolamento, imballaggi e persino prodotti medicali. Questo studio pone una domanda apparentemente semplice con grandi conseguenze pratiche: cambiando il metodo di essiccazione di questo materiale delicato, si modifica ciò che può fare?

Perché l’essiccazione conta per reti delicate

I ricercatori hanno coltivato sottili fogli, o pellicole, di cellulosa batterica usando un ceppo comune, Acetobacter xylinum, in un semplice liquido a base di tè e zucchero. Nel loro stato naturale, sature d’acqua, queste pellicole sono per lo più liquido trattenuto in una sottile rete di nanofibre. Per trasformarle in solidi leggeri utili, l’acqua deve essere rimossa senza schiacciare quella rete. L’essiccazione tradizionale ad aria o in forno tende a collassare i pori e a creare film densi e meno utili. Qui il gruppo ha confrontato due percorsi più delicati che mirano a preservare la struttura tridimensionale in modo che i solidi finiti si comportino più come spugne ariose, note come aerogel e criogel.

Due percorsi delicati verso la secchezza

Nel primo percorso, l’acqua nelle pellicole di cellulosa è stata gradualmente sostituita con acetone, un liquido che si miscela bene con l’anidride carbonica ad alta pressione. I campioni sono stati quindi essiccati usando CO₂ supercritica, uno stato del CO₂ che si comporta sia come gas sia come liquido e può rimuovere l’acetone senza generare le forti forze liquido–vapore che schiacciano i pori microscopici. Questo processo ha prodotto aerogel ultraleggeri con porosità estremamente elevata (oltre il 99% di spazio vuoto), una grande area superficiale interna e una sottile rete di nanofibre uniforme. Le immagini microscopiche hanno mostrato un’architettura liscia, aperta e simile a una spugna, e i test chimici hanno confermato che il materiale è rimasto molto puro.

Un percorso più semplice ma più grezzo

Il secondo percorso ha utilizzato la liofilizzazione diretta. Invece di uno stadio separato di congelamento profondo controllato, i fogli di cellulosa umidi sono stati rapidamente congelati direttamente all’interno del liofilizzatore e poi asciugati sottovuoto mentre il ghiaccio sublimava in vapore. Questo approccio più semplice ha evitato l’uso di sostanze chimiche aggiuntive e una manipolazione complessa, rendendolo interessante per la scalabilità e la sostenibilità. I criogel risultanti erano anch’essi estremamente leggeri e complessivamente più del 98% porosi. Tuttavia, l’imaging dettagliato ha rivelato che alcune parti della rete presentavano fasci di fibre raggruppate e zone più dense, specialmente nei campioni più spessi. L’area superficiale interna e il volume dei pori erano approssimativamente la metà rispetto agli aerogel, indicando che la struttura a scala nanometrica si era parzialmente compattata nonostante la porosità globale rimanesse elevata.

Uno sguardo all’interno: cosa rivelano le misure

Per andare oltre le semplici apparenze, il gruppo ha combinato diverse tecniche. La microscopia elettronica a scansione ha mappato la rete di fibre, mentre la microscopia confocale tridimensionale ha misurato quanto fossero ruvide o lisce le superfici. Esperimenti di adsorbimento gassoso hanno quantificato quanta area interna fosse accessibile ai gas, e metodi spettroscopici hanno verificato che la chimica della cellulosa fosse rimasta invariata. Insieme, queste misure hanno mostrato che l’essiccazione con CO₂ supercritica ha prodotto la rete più uniforme e finemente strutturata, con un sistema ben sviluppato di pori di dimensione media. I criogel ottenuti per liofilizzazione hanno comunque preservato il quadro fondamentale delle nanofibre e la forma generale, ma presentavano pori più irregolari, fasci di fibre più spessi, purezza leggermente inferiore e superfici in alcune regioni più lisce e dense.

Bilanciare prestazioni e praticità

Per un lettore non specialistico, il messaggio chiave è che il modo in cui si essicca un materiale delicato e simile a una spugna può influenzare fortemente la sua architettura nascosta e quindi le sue prestazioni, anche quando l’aspetto esterno è simile. Il metodo con CO₂ supercritica fornisce strutture più uniformi e altamente porose, ideale quando è necessaria un’accurata precisione, ad esempio in filtri avanzati o isolamenti. Tuttavia, la via più semplice della liofilizzazione, che non richiede sostanze chimiche aggiuntive né apparecchiature complesse, produce comunque materiali molto leggeri e utilizzabili i cui reticoli interni sono “sufficientemente buoni” per molti impieghi. Gli autori concludono che non esiste un metodo perfetto: gli ingegneri possono scegliere tra prestazioni leggermente migliori e maggiore semplicità e sostenibilità. Questo compromesso, chiaramente delineato nello studio, può guidare lo sviluppo di materiali a base di cellulosa più ecologici per le tecnologie di uso quotidiano.

Citazione: Sözcü, Ş., Wiener, J., Frajová, J. et al. Effect of drying methods on Acetobacter xylinum bacterial cellulose aerogels and cryogels. Sci Rep 16, 12264 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42244-1

Parole chiave: cellulosa batterica, aerogel, liofilizzazione, CO2 supercritica, materiali porosi