Cellulose:Et altid tilstedeværende materiale med bemærkelsesværdige egenskaber

Fysikere fra University of Luxembourg har for nylig taget væsentlige skridt fremad med at løse nogle af de udestående forskningsspørgsmål om cellulose. Deres resultater er blevet offentliggjort i de prestigefyldte tidsskrifter Angewandte Chemie og Kommunikationsmaterialer .

Cellulose er overalt

Hvad gør dine jeans, broccoli, papir, træer i skoven og en af ​​de hotteste nanopartikler i den nuværende internationale materialeforskning har det til fælles? Hvor uafhængige disse ting kan se ud ved første øjekast, de er alle lavet af polymercellulosen. Det er faktisk ikke så overraskende, at cellulose optræder i så mange sammenhænge, fordi det er den mest udbredte polymer på jorden, syntetiseret i hver plante for at give den styrke og struktur. Siden oldtiden, menneskeheden har forstået at bruge dette fantastiske materiale, gøre det til papir til at skrive på, bomuldsfibre til fremstilling af tøj, og under den industrielle tidsalder til relaterede materialer som cellofan til emballering, nitrocellulose til neglelak og fotografisk film, eller hydroxypropylcellulose (HPC) til at skabe formen og volumen på den pille, som du tager, når du skal have et par milligram medicin. Mens HPC udgør omkring 99 % af pillen, dette er ikke fordøjet, ligesom vi ikke kan fordøje den naturlige cellulose i broccoli, når vi spiser den. Endnu, at cellulose er afgørende for at sikre, at vores tarme fungerer godt; hvad der ofte omtales som 'fibre' i fødevarer er intet andet end cellulose.

I dag, cellulose som et avanceret materiale gennemgår en genfødsel, som videnskabsmænd over hele verden, på universiteter såvel som i industrien, opdager nye måder at udnytte dets bemærkelsesværdige egenskaber på. Denne nye udvikling er baseret på erkendelsen af, at cellulose og derivater som HPC kan selvorganisere sig i komplekse ordnede strukturer, med spektakulære optiske og mekaniske egenskaber, når den er suspenderet eller opløst i vand under de rette forhold. Når cellulose kommer ind i denne ordnede flydende tilstand, kaldet en 'flydende krystal, ' det åbner for funktionelle materialer med en række anvendelsesmuligheder, der er produceret bæredygtigt og er fuldt bionedbrydelige, efterlader et minimum af fodaftryk på vores planet. Dette skyldes, at de stammer fra planter, alger og andre genvoksende rigelige råstoffer. Imidlertid, de involverede processer er komplekse, og for at få de rigtige egenskaber i de producerede materialer, mange udfordrende – men også stimulerende – spørgsmål inden for kemi såvel som fysik skal besvares.

Flydende krystal betyder virkelig noget

I to artikler netop offentliggjort i de prestigefyldte tidsskrifter Angewandte Chemie og kommunikationsmaterialer, henholdsvis, den eksperimentelle fysikgruppe for blødt stof, ledet af prof. Jan Lagerwall ved Institut for Fysik og Materialevidenskab ved University of Luxembourg, præsenterer væsentlige skridt fremad i løsningen af ​​nogle af de fremragende forskningsspørgsmål, der står mellem den rigelige celluloseressource, der generøst leveres af Moder Natur, og de avancerede materialer, vi håber at få ud af den. Begge artikler opsummerer forskning finansieret af Luxembourg National Research Fund FNR (projekter COReLIGHT, SSh og MISONANCE).

I det første papir, Emmanouil Anyfantakis, postdoc ved University of Luxembourg, og kolleger præsenterer en radikalt ny måde at behandle HPC-løsninger på, giver dem mulighed for at blive forberedt og manipuleret ved lave koncentrationer, hvor de flyder let. Når først de har fået deres målform – her en omtrent millimeter stor kugle kaldet en "flydende krystal marmor" – øges koncentrationen på en meget kontrolleret måde ved at lade overskydende vand diffundere ind i et omgivende organisk opløsningsmiddel, som kan genbruges efter processen. De flydende krystalkugler udviser slående optiske egenskaber takket være arrangementet af HPC i en helixstruktur med periode på samme skala som bølgelængden af ​​synligt lys.

"Bemærkelsesværdigt, denne form for strukturel farve ses gennem hele marmoren, hvilket ikke er, hvad man forventer for denne type flydende krystal i sfærisk form, og farven kan indstilles gennem hele det synlige spektrum, fra violet til rødt. Vi har vist, at kuglerne kan bruges som ikke-elektroniske (og derfor autonome, dvs. der er ikke behov for batteri eller anden strømkilde) sensorer af mange forskellige stimuli, inklusive temperatur, mekanisk deformation og tilstedeværelsen af ​​giftige kemikalier. For eksempel, en HPC-marmor med flydende krystaller, der oprindeligt er forberedt til grøn farve, skifter til rød og mister til sidst sin farve, når den udsættes for den giftige alkohol methanol, " forklarer Emmanouil Anyfantakis.

I det andet papir, Prof. Jan Lagerwall og hans tidligere doktorgradskandidat Camila Honorato-Rios, nu R&D-ingeniør ved Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST), har fokuseret på ren cellulose, her i form af cellulose nanokrystaller (CNC'er). Det er nanorods af krystallinsk cellulose, der er et par hundrede nanometer i længden og omkring 5-10 nanometer i bredden. Også CNC'er danner en flydende krystalfase i vand med stængerne organiseret i en spiralformet struktur. CNC'er udgør et af de hotteste nanomaterialer i dag, da de er bæredygtigt produceret og kan være yderst anvendelige alene såvel som i kompositter. Desværre, deres produktionsmetoder efterlader nanoroderne meget spredte i længden, dvs. hver CNC batch indeholder mange lange såvel som mange korte stænger.

"I avisen, we have shown that this length dispersity is one of the main reasons for the many problems in processing CNC suspensions and obtaining materials with uniform properties, because long- and short-rod suspensions have very different viscosities and the period of the liquid crystal helix gets shorter the longer the rod. The dispersity of lengths therefore mixes CNCs that would need to be processed on very different time scales, and when they are transferred into solid films that should benefit from the liquid crystalline order, they are broken up into mosaic-like brittle structures because of the competition between short and long rods to organize into long- and short-period helices, henholdsvis, " explains Camila Honorato-Rios.

Vigtigt, the authors also provide the solution. Camila Honorato-Rios and Jan Lagerwall show that the phase separation between the liquid crystal phase and an ordinary disordered liquid, spontaneously taking place in CNC suspensions, can be used to fractionate CNC suspensions according to length. By using separatory funnels, a standard component of any chemistry lab, they divide the disperse CNC suspensions into individual fractions, each of which has a much narrower length distribution. This allows them, for første gang, to study the behavior of long, medium and short CNCs individually. This way they produce solid films showing uniform and controlled structural color, without the mosaic texture. "Because the technique is easily scalable, this can be a game changer for the industrial exploitation of CNC. Following the fractionation procedure, CNC producers can provide samples with much lower dispersity, allowing customers to use this remarkable new, sustainably produced, nanomaterial in a way that maximizes its performance, " comments Prof. Jan Lagerwall with enthusiasm.