Chemiker entdecken Risse in der Verliebtheit von Cellulose-Nanokristallen
Der bisher detaillierteste Blick auf die Oberflächenchemie und Struktur einzelner Zellulose-Nanokristallpartikel
Chemiker in Japan, Kanada und Europa haben Fehler in der Oberflächenstruktur von Zellulose-Nanokristallen entdeckt - ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Dekonstruktion von Zellulose, um erneuerbare Nanomaterialien für biochemische Produkte, Energielösungen und Biokraftstoffe herzustellen.
Die in Science Advancesveröffentlichten Ergebnisse sind der bisher detaillierteste Blick auf die Oberflächenchemie und die Struktur einzelner Zellulose-Nanokristallpartikel (CNC).
(A) Ein Molekulardynamik-Schnappschuss eines Cellulose-Nanokristalls in Wasser. Die c-Achse verläuft senkrecht zur Bildebene. (B) Simulierte 3D-Wassersauerstoffdichtekarte um einen hexagonal geformten CNC mit markierten Kristallebenen. (C und D) Gemittelte vertikale 2D-Dichtekarte von Wassersauerstoffatomen oberhalb der (010)-Kristallebene, aufgenommen durch die zx-Ebene entlang der senkrechten Richtung zur Kettenachse. (E und F) Horizontale 2D-Wasserdichteschichten, die aus der 3D-Karte an den vertikalen Positionen extrahiert wurden, die in den Feldern E und D mit weißen bzw. roten Pfeilen markiert sind. (G und H) Experimentell erhaltene vertikale und horizontale 2D ∆f Karten der Zellulose-Wasser-Grenzfläche.
c 2022 Yurtsever, et al.
(A) AFM-Bild von Strukturdefekten auf der CNC-Oberfläche, aufgenommen in Wasser. (B) Hochauflösendes AFM-Topographiebild einer einzelnen CNC-Oberfläche, das die Details der molekularen Organisation an der Grenzfläche zeigt. (C) Das rekonstruierte Bild der Oberfläche in Feld B, erhalten durch die Ausführung von inversen 2D-FFT-Spektren. (D und E) Vertikale 2D-∆f-Karten der Zellulose-Wasser-Grenzfläche, die die strukturell geordneten Wasserschichten zeigen.
c 2022 Yurtsever, et al.
Das Team unter der Leitung von Forschern der Universität Kanazawa wandte dreidimensionale Rasterkraftmikroskopie (3D-AFM) und Molekulardynamiksimulationen auf einzelne CNC-Fasern in Wasser an. Das hochauflösende Scannen enthüllte neue Details der Zellulosekettenanordnungen auf den CNC-Oberflächen.
"Dies ist ein wesentlicher Schritt zum Verständnis der Mechanismen des CNC-Abbaus, der für die Umwandlung von Biomasse entscheidend ist und für erneuerbare Nanomaterialien und die chemische Produktion von Bedeutung ist", sagte Professor Takeshi Fukuma, Direktor des Nano Life Science Institute an der Universität Kanazawa.
Die Struktur einer einzelnen CNC-Faser zeigte größtenteils wabenförmige oder zickzackförmige Kettenanordnungen auf kristallinen Abschnitten, die in unregelmäßigen Abständen von ungeordneten, nicht kristallinen Bereichen durchsetzt waren. Die Forscher entdeckten strukturelle Defekte in Verbindung mit den nicht kristallinen Bereichen der Oberfläche.
"Dies ist ein großartiges Beispiel für eine internationale Zusammenarbeit, die am Nano Life Science Institute der Kanazawa University entwickelt wurde", sagte Mark MacLachlan, Professor an der University of British Columbia, Canada Research Chair in Supramolecular Materials und Mitautor der Studie. "Es ist wichtig, die Oberflächen und Defekte in diesen natürlichen Strukturen sichtbar zu machen, um ihre Anwendungen voranzutreiben."
Chemiker aus dem Labor von Professor MacLachlan an der UBC halfen bei der Entwicklung des Experiments und synthetisierten und reinigten die Cellulose-Nanokristalle für das Projekt. Computergestützte Studien und Modellierungen wurden von einem finnischen Team unter der Leitung von Professor Adam Foster durchgeführt.
In der Studie wurde auch die dreidimensionale Anordnung der Wassermoleküle in der Nähe der CNC-Oberfläche modelliert, was den Materialwissenschaftlern zusätzliche Anhaltspunkte dafür liefern könnte, wie die CNC-Oberfläche auf molekulare Adsorption, Diffusion und chemische Reaktionen reagieren könnte.
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