Verso Biomimicking Legno: Fabbricato Free-standing Films di Nanocellulose, lignina, e policatione sintetico

L'obiettivo generale del seguente esperimento è quello di creare un'imitazione della parete cellulare secondaria altamente organizzata di piante legnose che hanno nano fis di cellulosa depositata in strati con lignina. Ciò si ottiene ossidando la fibra di polpa per creare gruppi carbossilati caricati negativamente per consentire la fibrillazione in nanocellulosa e anche l'assemblaggio utilizzando l'assorbimento strato per strato come secondo passaggio, la nanocellulosa viene depositata in film altamente organizzati, che vengono monitorati utilizzando una microbilancia a cristalli di quarzo con monitoraggio della dissipazione. Successivamente, la nanocellulosa viene assemblata su substrati solubili per creare film indipendenti.

Si ottengono risultati che mostrano film polimerici di legno altamente strutturati basati su misure di microbilance a cristalli di quarzo e misurazioni al microscopio. Il vantaggio principale di questa tecnica rispetto ai metodi esistenti come la colata a solvente, una miscela casuale dei componenti, è che si ha il controllo sul modo in cui i materiali sono organizzati all'interno del film per imitare materiali naturali come il legno. Questo metodo può aiutare a rispondere a domande chiave nel campo della cellulosa per campo, ad esempio come fanno gli enzimi a penetrare la parete cellulare altamente strutturata delle piante per convertire la cellulosa in zuccheri formabili?

Per iniziare, prepara un pallone da tre litri, tre fiasche da collo con due litri di acqua deionizzata, un'agitazione dall'alto e una sonda di pH Aggiungi alla fiaschetta una polpa artigianale dignitosa, un tempo di luminosità dell'88% e bromuro di sodio. Come dettagliato nel protocollo di testo, mescolare la fibra della polpa con l'agitazione dall'alto fino a quando la fibra non si disperde e non si vedono aggregati nella reazione. Avviare l'ossidazione aggiungendo lentamente una soluzione al 12% di ipoclorito di sodio alla miscela di reazione attraverso una pompa a siringa che eroga l'ipoclorito di sodio con una velocità di iniezione di 1,5 millilitri al minuto.

Riempire una seconda siringa con idrossido di sodio e dosare manualmente la soluzione alcalina nel pallone goccia a goccia per mantenere il pH a 10 più o meno 0,2. Monitorare la variazione del pH con il tempo. Una volta che tutti i gruppi ossidrilici accessibili sulla cellulosa sono ossidati, il pH non diminuirà più e la reazione sarà completa.

Quindi aggiungere l'alcol etilico in eccesso per consumare l'ipoclorito di sodio rimasto. Circa sei millilitri di alcol etilico a 200 gradi consumeranno tutti i 100 millimoli dell'ipoclorito di sodio originale. Filtrare e lavare accuratamente la fibra ossidata con acqua purificata per rimuovere i reagenti fino a quando il pH non è neutro.

Quindi utilizzare una centrifuga a cestello o un dispositivo di filtrazione come un imbuto bookner per recuperare la fibra. Quindi, creare un impasto liquido al 3% della polpa ossidata tempo e frullare in un frullatore in guerra fino a quando l'impasto diventa viscoso e le lame iniziano a girare nell'aria a causa della gelificazione nella sospensione, diluire l'impasto miscelato allo 0,1% e continuare a frullare fino a quando la sospensione diventa trasparente. Preparare le soluzioni acquose elencate nel protocollo di testo e regolare ciascuna soluzione con idrossido di sodio molare 0,1 a un pH di 10,5.

Pulire un cristallo di quarzo rivestito d'oro seguendo le raccomandazioni del produttore di utilizzare una soluzione di piranha di base per 10 minuti. Quindi sciacquare i cristalli con acqua purificata e asciugarli con il phon in un flusso di azoto gassoso. Una volta asciutto, inserire immediatamente il cristallo di quarzo nella cella di flusso della microbilancia in cristallo di quarzo per evitare la contaminazione dall'aria.

Far passare il tampone attraverso la cella di flusso per ottenere una risposta di base del cristallo risonante esposto al liquido. Quindi depositare uno strato di PDDA sul cristallo di quarzo esponendo il cristallo di quarzo alla soluzione PDDA per cinque minuti. Dopo cinque minuti, tornare alla soluzione tampone.

Ripetere l'assorbimento di altri polimeri nella sequenza elencata nel protocollo di testo con un risciacquo tampone tra ogni passaggio. Ripetere il ciclo quattro volte per depositare 16 strati totali di polimeri e nanoparticelle. Incollare un disco circolare di MICA su un vetrino da microscopio utilizzando un adesivo epossidico rapido.

Dopo che l'adesivo si è indurito, attacca un pezzo di nastro adesivo al disco di mica. Stacca il nastro facendo staccare la superficie del Micah. Quindi immergere la mica appena tagliata che è attaccata a un vetrino in ogni soluzione preparata seguendo la stessa sequenza di prima.

Immagine degli strati depositati con un microscopio a forza atomica. Utilizzare la modalità di contatto intermittente e i cantilever con raggio di 10 nanometri. Punte in silicone durante la raccolta di immagini del set di campioni.

Dimensioni di scansione di 2,5 x 2,5 micron. Punto di scansione come cinque 12 e guadagno integrale di 10 per raccogliere immagini campione specifiche per le misurazioni dello spessore degli strati con un FM dei film essiccati strato per strato. Utilizzare un puntale per pipetta di plastica morbida e tracciare una linea sulla superficie delle pellicole strato per strato preparate sulla superficie della MICA.

Per iniziare la preparazione della pellicola autoportante, strato per strato, tagliare un rettangolo di 25,4 millimetri per 7,6 millimetri di pellicola di acetato di cellulosa con uno spessore di 0,13 millimetri e attaccarlo a un braccio di mestolo automatizzato. Quindi riempire ogni becher da 500 millilitri con soluzioni di PDDA, lignina e nanocellulosa a seconda della concentrazione. E PH. Riempire altri tre becher con tampone acquoso da utilizzare come soluzione di risciacquo per ogni ciclo di deposizione.

Programmare il braccio del bilanciere in modo che proceda nella stessa sequenza di prima. Cambiare periodicamente le soluzioni nel becher durante 250 cicli quando iniziano ad apparire torbide a causa dei complessi colloidali. Dopo la deposizione, tagliare con cura i bordi del campione essiccato con le forbici esponendo il bordo in acetato di cellulosa e metterlo in una capsula di Petri di vetro coperta riempita di acetone per sciogliere l'acetato di cellulosa.

Come passaggio finale, immergere le pellicole isolate nell'acetone per 24 ore. Sciacquare ripetutamente i film con acetone per massimizzare la rimozione dell'acetato di cellulosa residuo prima dell'analisi con microscopia elettronica a scansione, l'assorbimento strato per strato della lignina ossidata nano fial cellulosa e PDDA è stato monitorato in tempo reale con QCMD per rilevare i cambiamenti di frequenza quando le molecole vengono assorbite sulla superficie del cristallo di quarzo. I dati rappresentano la variazione normalizzata della frequenza e della dissipazione del settimo armonico.

Una linea di base è stata ottenuta per la prima volta con acqua a pH 10,5 MQ, seguita dall'introduzione del polimero onico PDDA. L'introduzione di questo polimero è associata a una diminuzione della frequenza e a un corrispondente aumento della dissipazione. Questa risposta è attribuita a una combinazione di assorbimento del PDDA sul substrato di quarzo corteggiato con oro e al cambiamento degli effetti di massa del liquido a contatto con il cristallo vibrante.

Questo è stato seguito da una fase di risciacquo con il tampone per rimuovere il polimero non legato in eccesso e per annullare la frequenza di risposta alla dissipazione a causa degli effetti di massa della soluzione polimerica. La variazione netta della frequenza e della dissipazione rispetto al basale è dovuta all'assorbimento irreversibile del PDDA. Quindi è stata introdotta la soluzione di lignina, che ha comportato una diminuzione della frequenza e un corrispondente aumento della dissipazione.

Il cristallo è stato poi risciacquato nuovamente, provocando un leggero aumento della frequenza. Tuttavia, la dissipazione è rimasta invariata, il che suggerisce che la lignina si deposita come strato rigido sopra lo strato PDDA quando viene a contatto con il substrato di quarzo rivestito d'oro per depositare il secondo doppio strato, la soluzione PDDA è stata reintrodotta sopra lo strato di lignina. L'introduzione della soluzione PDDA è stata associata a una leggera diminuzione della frequenza e a un aumento significativo della dissipazione.

Tuttavia, dopo il calo iniziale, c'è stato un graduale aumento della frequenza seguito da un plateau Dopo il risciacquo del tampone. La variazione netta di frequenza e dissipazione dopo la deposizione di PDDA sullo strato di lignina è risultata essere leggermente inferiore rispetto allo strato precedente. Questo cambiamento è il risultato di una forte interazione tra PDDA e lignina, che potrebbe aver causato il parziale desorbimento della lignina debolmente legata.

La soluzione di nanocellulosa è stata introdotta sullo strato PDDA con conseguente diminuzione della frequenza e un corrispondente aumento della dissipazione. Questo cambiamento è risultato irreversibile dopo la fase di risciacquo, suggerendo che la NANOCELLULOSA era stata depositata irreversibilmente sul PDDA Le immagini al microscopio a forza atomica mostrano la lignina assorbita lungo il FIS rivestito di PDDA dopo la fase di deposizione della lignina, come si vede nelle immagini dopo tre cicli nelle immagini di ampiezza e altezza, la microscopia elettronica a scansione delle sezioni trasversali criofratturate di film autoportanti strato per strato mostra una struttura lamellare. Lo spessore di due diversi tipi è risultato essere di circa 4,3 micron, il che implica uno spessore medio di circa 17 nanometri per ciclo di deposizione.

Mentre si tenta questa procedura, è importante ricordare che l'ossidazione della fibra P è la chiave del successo della creazione di nanos. Dopo aver visto questo video, dovresti avere una buona comprensione di come isolare la nanocellulosa e utilizzare le procedure di assemblaggio strato per strato per creare materiali con un'architettura strutturata su scala nanometrica.