Nanocellulose, 리그닌의 날조 된 자립형 필름, 및 합성 폴리 양이온 : Biomimicking 나무를 향하여

다음 실험의 전반적인 목표는 리그닌이 있는 층에 셀룰로오스 나노 파이가 증착된 목본 식물의 고도로 조직화된 2차 세포벽을 모방하는 것입니다. 이는 펄프 섬유를 산화시켜 음전하를 띤 카르복실레이트 그룹을 생성하여 나노셀룰로오스로 세동화하고 두 번째 단계로 층별 흡수를 사용하여 조립함으로써 달성되며, 나노셀룰로오스는 고도로 조직화된 필름에 증착되며, 이는 소산 모니터링과 함께 석영 결정 마이크로 저울을 사용하여 모니터링됩니다. 다음으로 나노 셀룰로오스는 독립형 필름을 만들기 위해 용해 가능한 기판에 조립됩니다.

석영 결정 마이크로 밸런스 측정 및 현미경 측정을 기반으로 고도로 구조화된 목재 폴리머 필름을 보여주는 결과를 얻을 수 있습니다. 구성 요소를 무작위로 혼합하는 솔벤트 주조와 같은 기존 방법에 비해 이 기술의 주요 장점은 나무와 같은 천연 재료를 모방하기 위해 필름 내에서 재료가 구성되는 방식을 제어할 수 있다는 것입니다. 이 방법은 셀룰로오스를 성형성 당으로 전환하기 위해 효소가 식물의 고도로 구조화된 세포벽을 어떻게 관통하는지와 같은 필드별 셀룰로오스 분야의 주요 질문에 답하는 데 도움이 될 수 있습니다.

시작하려면 3리터, 3개의 목 플라스크에 2리터의 탈이온수, 오버헤드 교반 및 pH 프로브를 설정하고 플라스크에 위엄 있는 크래프트 펄프, 88% 밝기 템포 및 브롬화나트륨을 추가합니다. 텍스트 프로토콜에 자세히 설명된 바와 같이, 섬유가 분산되고 반응에서 응집체가 보이지 않을 때까지 펄프 섬유를 오버헤드 교반과 혼합합니다. 분당 1.5 밀리리터의 주입 속도로 차아염소산나트륨을 전달하는 주사기 펌프를 통해 반응 혼합물에 차아염소산나트륨 12% 용액을 천천히 첨가하여 산화를 시작합니다.

두 번째 주사기에 수산화나트륨을 채우고 알칼리 용액을 플라스크에 적음으로 수동으로 계량하여 pH를 10 플러스 또는 마이너스 0.2로 유지합니다. 시간에 따른 pH 변화를 모니터링합니다. 셀룰로오스의 접근 가능한 모든 하이드록실기가 산화되면 pH가 더 이상 감소하지 않고 반응이 완료됩니다.

그런 다음 여분의 에틸 알코올을 첨가하여 남은 차아염소산나트륨을 섭취합니다. 약 6밀리리터의 200프루프 에틸 알코올은 원래 차아염소산나트륨 100밀리몰을 모두 소비합니다. 산화된 섬유를 여과하고 정제수로 철저히 세척하여 pH가 중성이 될 때까지 시약을 제거합니다.

그런 다음 바구니 원심 분리기 또는 부커 깔때기와 같은 여과 장치를 사용하여 섬유를 회수합니다. 다음으로, 템포가 산화된 펄프의 3% 슬러리를 만들고 슬러리가 점성이 되고 현탁액의 겔화로 인해 블레이드가 공기 중에서 회전하기 시작할 때까지 전쟁 블렌더에서 혼합하고 혼합된 슬러리를 0.1%로 희석하고 현탁액이 투명해질 때까지 계속 혼합합니다. 텍스트 프로토콜에 나열된 수용액을 준비하고 0.1몰 수산화나트륨으로 각 용액을 pH 10.5로 조정합니다.

기본 피라냐 용액을 10분 동안 사용하라는 제조업체의 권장 사항에 따라 금으로 코팅된 석영 결정을 청소합니다. 그런 다음 정제수로 결정을 헹구고 질소 가스 흐름에서 건조시킵니다. 건조되면 즉시 수정 결정을 수정 마이크로 저울 플로우 셀에 삽입하여 공기 오염을 방지합니다.

플로우 셀(flow cell)을 통해 버퍼를 통과시켜 액체에 노출된 공진 결정의 기준선 반응을 얻습니다. 그런 다음 수정 진동을 PDDA 용액에 5분 동안 노출시켜 수정 결정에 PDDA 층을 증착합니다. 5분 후 버퍼 용액으로 다시 전환합니다.

텍스트 프로토콜에 나열된 순서로 다른 폴리머의 흡수를 반복하고 각 단계 사이에 완충 헹굼을 반복합니다. 주기를 4번 반복하여 총 16개의 폴리머 및 나노 입자 층을 증착합니다. 빠른 에폭시 접착제를 사용하여 MICA의 원형 디스크를 유리 현미경 슬라이드에 붙입니다.

접착제가 경화된 후 운모 디스크에 테이프 조각을 부착합니다. 테이프를 벗겨내면 운모 표면이 절단됩니다. 그런 다음 유리 슬라이드에 부착된 갓 절단된 운모를 이전과 동일한 순서로 준비된 각 용액에 담그십시오.

원자력 현미경으로 증착된 층을 이미지화합니다. 간헐적 접촉 모드와 반경이 10나노미터인 캔틸레버를 사용합니다. Sample Set의 이미지를 수집할 때 사용되는 실리콘 팁.

스캔 크기는 2.5 x 2.5미크론입니다. 스캔 포인트는 5, 12 및 적분 이득 10으로 하여 건조된 층 필름의 FM으로 층의 두께 측정을 위한 특정 샘플 이미지를 수집합니다. 부드러운 플라스틱 피펫 팁을 사용하여 MICA 표면의 준비된 층별 필름 표면을 가로질러 선을 긁습니다.

독립형 층별 필름 준비를 시작하려면 두께가 0.13mm이고 자동화된 디퍼 암에 부착된 25.4mm x 7.6mm 직사각형의 셀룰로오스 아세테이트 필름을 절단합니다. 그런 다음 각 500 밀리리터 비커를 농도에 따라 PDDA, 리그닌 및 나노 셀룰로오스 용액으로 채 웁니다. 그리고 PH. 3개의 추가 비커에 수성 완충액을 채워 각 증착 주기에 대한 헹굼 용액으로 사용합니다.

이전과 동일한 순서로 진행하도록 디퍼 암을 프로그래밍합니다. 250 사이클 동안 비커의 용액을 주기적으로 변경하면 콜로이드 복합체로 인해 흐려지기 시작합니다. 증착 후 셀룰로오스 아세테이트 가장자리를 노출시키는 가위로 건조된 샘플의 가장자리를 조심스럽게 다듬고 아세톤으로 채워진 덮개가 있는 유리 페트리 접시에 넣어 셀룰로오스 아세테이트를 용해합니다.

마지막 단계로 절연 필름을 아세톤에 24시간 동안 담급니다. 주사 전자 현미경으로 분석하기 전에 잔류 셀룰로오스 아세테이트의 제거를 최대화하기 위해 필름을 반복적으로 헹굽니다., 리그닌 산화 나노 피알 셀룰로오스 및 PDDA의 층별 흡수를 QCMD로 실시간으로 모니터링하여 분자가 수정 결정의 표면에 흡수할 때 주파수 변화를 감지합니다. 데이터는 7번째 배음의 주파수와 소실의 정규화된 변화를 나타냅니다.

기준선은 먼저 pH 10.5 MQ 물로 얻은 다음 오닉 폴리머 PDDA를 도입했습니다. 이 폴리머의 도입은 주파수의 감소 및 그에 따른 소산의 증가와 관련이 있습니다. 이 반응은 금 코팅된 석영 기판에 대한 PDDA의 흡수와 진동하는 결정과 접촉하는 액체의 벌크 효과 변화의 조합에 기인합니다.

그 다음에는 버퍼를 사용한 헹굼 단계를 수행하여 과도한 결합되지 않은 폴리머를 제거하고 폴리머 용액의 벌크 효과로 인한 소산 반응 빈도를 무효화했습니다. 기준선에서 빈도 및 소실의 순 변화는 PDDA의 비가역적 흡수 때문입니다. 그런 다음 리그닌 용액이 도입되어 빈도가 감소하고 그에 따라 소산이 증가했습니다.

그런 다음 결정을 다시 헹구어 주파수를 약간 증가시켰습니다. 그러나, 소실은 변하지 않았는데, 이는 리그닌이 두 번째 이중층을 증착하기 위해 금도금된 석영 기판과 접촉할 때 PDDA 층 위에 단단한 층으로 증착됨을 시사하며, PDDA 용액은 리그닌 층 위에 다시 도입되었다. PDDA 솔루션의 도입은 주파수의 약간의 감소와 손실의 현저한 증가와 관련이 있었습니다.

그러나 초기 낙하 후 빈도가 점진적으로 증가한 후 완충 헹굼 후 정체기가 발생했습니다. 리그닌 층에 PDDA가 침착된 후 빈도 및 소실의 순 변화는 이전 층보다 약간 낮은 것으로 밝혀졌습니다. 이러한 변화는 PDDA와 리그닌 사이의 강한 상호 작용의 결과이며, 이로 인해 느슨하게 결합된 리그닌의 부분적 탈착이 발생했을 수 있습니다.

나노 셀룰로오스 용액은 PDDA 층에 도입되어 주파수가 감소하고 그에 따라 소산이 증가했습니다. 이러한 변화는 헹굼 단계 후 비가역적인 것으로 밝혀졌으며, 이는 나노셀룰로오스가 PDDA 원자력 현미경 이미지에 비가역적으로 증착되었음을 시사하며, 리그닌 증착 단계 후 PDDA 코팅된 FIS를 따라 흡수된 리그닌을 보여주며, 진폭 및 높이 이미지에서 3회 주기 후 이미지에서 볼 수 있듯이, 독립형 층별 층막의 극저온 파쇄 단면의 주사 전자 현미경은 라멜라 구조를 나타냅니다. 두 가지 다른 유형의 두께는 약 4.3 미크론으로 밝혀졌으며, 이는 증착 사이클 당 약 17 나노 미터의 평균 두께를 의미합니다.

이 절차를 시도하는 동안 P 섬유의 산화가 나노 생성 성공의 열쇠라는 것을 기억하는 것이 중요합니다. 이 비디오를 시청한 후에는 나노셀룰로오스를 분리하고 층별 조립 절차를 사용하여 구조화된 나노 스케일 아키텍처로 재료를 만드는 방법을 잘 이해하게 될 것입니다.