Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

نحو Biomimicking الخشب: أفلام التجهيز الحرة الدائمة للNanocellulose، اللجنين، وPolycation الاصطناعية

Published: June 17, 2014 doi: 10.3791/51257
Automatic Translation
1,2,3, 2,4, 2,5, 1,2,5,6
1Institute for Critical Technology and Applied Science, Virginia Tech, 2Macromolecules and Interfaces Institute, Virginia Tech, 3Institute for Food Safety and Health, Illinois Institute of Technology- Moffett Campus, 4Wood, Cellulose, and Paper Research Department, University of Guadalajara, 5Department of Sustainable Biomaterials, Virginia Tech, 6Sustainable Nanotechnology Interdisciplinary Graduate Education Program, Virginia Tech

Summary

كان الهدف من هذا البحث لتشكيل النبات الاصطناعية الأنسجة جدار الخلية باستخدام طبقة تلو طبقة التجمع من الألياف واللجنين nanocellulose معزولة تجميعها من تعليق مائي مخفف. واستخدمت تقنيات قياس سطح توازن دقيق الكريستال الكوارتز ومجهر القوة الذرية لمراقبة تشكيل المواد بمركب متناهي في الصغر البوليمر البوليمر.

Abstract

وتتكون المواد الخشبية لجدران الخلايا النباتية التي تحتوي على جدار الخلية الثانوية الطبقات تتكون من البوليمرات الهيكلية من السكريات واللجنين. تم استخدام طبقة تلو طبقة (LBL) عملية التجميع التي تعتمد على تجميع جزيئات مشحونة معاكس من المحاليل المائية لبناء قائما بذاته فيلم مركب من الخشب البوليمرات معزولة من اللجنين وأكسدة nanofibril السليلوز (NFC). لتسهيل تجميع هذه البوليمرات سالبة الشحنة، ومتضاعف الكتروليتي موجبة الشحنة، وبولي (كلوريد diallyldimethylammomium) (PDDA)، وكان يستخدم كطبقة ربط لإنشاء هذا النموذج جدار الخلية مبسطة. تمت دراسة عملية الامتزاز الطبقات كميا باستخدام الكوارتز الكريستال توازن دقيق مع رصد تبديد (QCM-D) وellipsometry. أظهرت النتائج أن طبقة الشامل / سمك في طبقة كثف زيادة بوصفها وظيفة من عدد من الطبقات. وقد درس تغطية سطح طبقات كثف مع القوة الذرية المجهر (AFM).تم العثور على تغطية كاملة من السطح مع اللجنين في جميع دورات ترسب للنظام، ومع ذلك، وزيادة التغطية السطحية عن طريق NFC مع عدد من الطبقات. وقد أجريت عملية الامتزاز من 250 دورات (500 طبقات ثنائية) على خلات السليلوز (CA) الركيزة. تم الحصول على شفافية LBL تجميعها الأفلام بمركب متناهي في الصغر قائمة بذاتها عندما تم حل الركيزة CA في وقت لاحق في الأسيتون. وأظهر المسح المجهر الإلكتروني (SEM) من كسر المقاطع العرضية بنية رقائقي، وقدرت سماكة في دورة الامتزاز (PDDA-اللجنين-PDDA-NC) ليكون 17 نانومتر لنوعين اللجنين المختلفة المستخدمة في الدراسة. تشير البيانات فيلم مع العمارة رقابة شديدة حيث تترسب nanocellulose واللجنين مكانيا على مقياس النانو (أ nanocomposites والبوليمر البوليمر)، على غرار ما لوحظ في جدار الخلية الأم.

Introduction

هناك اهتمام كبير لاستخلاص المواد الكيميائية والوقود إضافية من الكتلة الحيوية، والكربون المحتبس من النباتات خلال عملية التمثيل الضوئي هو جزء من CO 2 دورة الحالية. غالبية الكربون المحتجز (42-44٪) في شكل السيلولوز، بوليمر يتألف من وحدات β غلوكوبيرانوز 1-4 المرتبطة؛ عندما تحلل والجلوكوز يمكن أن تستخدم المتفاعلة الأولية للتخمير إلى وقود الكحول القائمة. ومع ذلك، فقد تطورت العمارة جدار الخلية من النباتات الخشبية لآلاف السنين خلق المواد التي هي مقاومة للتدهور في البيئة الطبيعية 1. هذا الاستقرار يحمل أكثر في المعالجة الصناعية للمواد الخشبية مثل محاصيل الطاقة مما يجعل السليلوز يصعب الوصول إليها، وعزل، والانهيار إلى جلوكوز. نظرة فاحصة على التركيب الدقيق لجدار الخلية الثانوية يكشف أنه هو البوليمر بمركب متناهي في الصغر تتكون من الطبقات microfibrils على paracrystalline السليلوز مضمن في مصفوفة غير متبلور من اللجنين وتنحنحicelluloses 2-4. وسيليلوز microfibrils الموجهة طوليا ويبلغ قطرها حوالي 2-5 نانومتر، والتي يتم تجميعها معا مع غيرها من السكريات مغاير لتشكيل وحدات أكبر من حزم ليفية 5. هي جزء لا يتجزأ من حزم ليفية في مجمع اللجنين-هيميسيلولوز تتألف من البوليمر غير متبلور وحدات phenylpropanol مع بعض الروابط الأخرى مغاير السكريات مثل glucoronoxylan 4. علاوة على ذلك، يتم تنظيم هذا الهيكل الى مزيد من طبقات أو صفاحات، في جميع أنحاء lignified جدار الخلية الثانوي 6-8. الإنزيمات، مثل السليلوزات، لديها الوقت الصعب جدا الحصول على السليلوز داخل جدار الخلية كما انها وجدت في شكل ليفية، وجزءا لا يتجزأ من اللجنين. جوهر صنع الوقود حقا biobased ومنصات الكيميائية المتجددة واقعا هو تطوير العمليات التي تسمح اقتصاديا تسكر من السليلوز في شكله الأصلي.

التقنيات الكيميائية والتصوير الجديدة والمساعدة في الحادي وudy من الآليات التي تشارك في تسكر من السليلوز 9،10. وتركز الكثير من العمل على رامان متحد البؤر التصوير 11 و القوة الذرية المجهري 12 لدراسة التركيب الكيميائي جدار الخلية ومورفولوجيا. أن تكون قادرة على تتابع عن كثب آليات إزالة اللجنين وتسكر هو خطوة هامة إلى الأمام، مما يؤثر على تحويل السليلوز إلى جلوكوز. تم تحليل تسكر من طراز الأسطح السليلوز عن طريق قياس معدلات الحركية الانزيم مع توازن دقيق الكوارتز الكريستال مع رصد تبديد (QCM-D) 13. ومع ذلك، جدران الخلايا الأم هي معقدة للغاية كما هو مبين أعلاه، وهذا يخلق الغموض عن كيفية تغيير عمليات التحويل المختلفة هيكل جدار الخلية النباتية (بوليمر الوزن الجزيئي، الروابط الكيميائية، المسامية). إن النماذج خالية من مكانة المواد جدار الخلية مع التركيب الهيكلي المعروفة معالجة هذا القلق، والسماح للتكامل العينات في دولة من الفن الكيميائية وimagiالمعدات نانوغرام.

هناك ندرة في النماذج جدار الخلية والقليلة المتوفرة يمكن تصنيفها على أنها مزيج من مواد البوليمر ومجدد السليلوز أو السليلوز البكتيرية 14، بلمرة إنزيمي-اللجنين السكاريد المركبة 15-17، 18-21 نموذج أو الأسطح. بعض النماذج التي تبدأ تشبه جدار الخلية هي عينات التي تحتوي على السلائف اللجنين أو النظير بلمرة إنزيمي في وجود السليلوز في شكله microfibrillar. ومع ذلك، وهذه المواد يعانون من عدم وجود طبقة بنية المنظمة. والطريق بسيطة لإنشاء المواد بمركب متناهي في الصغر مع بنية المنظمة هو (LBL) تقنية التجميع طبقة تلو طبقة، استنادا إلى امتزاز متتابعة من البوليمرات أو النانوية مع رسوم تكميلية أو المجموعات الوظيفية لتشكيل مركب متعدد الطبقات الأفلام نظمت 22-25. nanocomposites والهجين خالية من مكانة عالية القوة، التي أدلى بها LBL ترسب البوليمر وغnoparticles، تم الإبلاغ من قبل كوتوف وآخرون. 26-30. من بين العديد من التطبيقات الأخرى، كما تم التحقيق أفلام LBL للاستخدام إمكاناتها في تسليم العلاجية 31، أغشية خلايا الوقود 32،33، 34 البطاريات، واللجنوسليلوزية سطح الألياف التعديل 35-37. وقد أدت المواد المركبة لمصلحة الأخيرة في السليلوز النانو تستند إلى إعداد وتوصيف متعددة الطبقات LBL من البلورات النانوية السليلوز (CNC) من خلال التحلل حامض الكبريتيك من ألياف السليلوز، وpolyelectrolytes موجبة الشحنة 38-43 مستعدا. كما تم إجراء دراسات مماثلة مع البلورات النانوية السليلوز تم الحصول عليها من تونيسين البحرية وpolyelectrolytes الموجبة 44، باستخدام الحاسب الآلي وxyloglucan 45، والتصنيع باستخدام الحاسب الآلي والشيتوزان 46. وقد تم تشكيل LBL متعدد الطبقات من سليولوزات carboxylated nanofibrillated (NFCs)، التي حصلت عليها التجانس الضغط العالي من الألياف اللب مع polyelectrolytes الموجبة أيضادرس 47-49. وقد تم استعراض إعداد والخصائص، وتطبيق CNCs والسليلوز nanofibrillated بالتفصيل 50-53.

ينطوي على الدراسة دراسة تقنية LBL كوسيلة محتملة لتجميع البوليمرات اللجنوسليلوزية معزولة (مثل nanocellulose واللجنين) بطريقة أمر كخطوة أولى نحو مركب اللجنوسليلوزية بيوميمتيك مع هيكل رقائقي. وقد تم اختيار هذه التقنية LBL لظروف التصنيع حميدة لها مثل درجة الحرارة المحيطة، والضغط، والماء كمذيب، والتي هي شروط لتشكيل مركب الطبيعية 54. في هذه الدراسة أننا تقريرا عن متعدد الطبقات تراكم مكونات الخشب التأسيسية، وهي سيليلوز microfibrils من tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO) الأكسدة بوساطة من اللب واللجنين معزولة في الأفلام رقائقي قائمة بذاتها. وتستخدم اثنين يغنينس مختلفة من تقنيات الاستخراج مختلفة، واحدة في اللجنين التقنية من سrganosolv عملية فصل الألياف، والآخر اللجنين معزولة عن الكرة طحن مع أقل التعديل خلال العزلة. يتم الجمع بين هذه المركبات مع متضاعف الكتروليتي الاصطناعية في هذه الدراسة الأولية لإثبات جدوى صنع الأفلام مستقرة قائمة بذاتها مع بنية مماثلة لجدار الخلية الأم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Nanofibrillated السليلوز إعداد 55

  1. إعداد 3 L ثلاث رقبات قارورة مع 2 لتر ماء منزوع الأيونات، وهو النمام النفقات العامة، ودرجة الحموضة التحقيق.
  2. إضافة delignified كرافت اللب، 88٪ سطوع (20 غرام، 1٪ (ث / ت، على أساس الوزن الجاف))، 2،2،6،6-1-tetramethylpiperidine oxyl (TEMPO) (0.313 غرام، 0.1 ملمول / ز السليلوز) ، وبروميد الصوديوم (NaBr، 2.0 غرام، 1 مليمول / ز السليلوز) إلى القارورة.
    1. مزيج من الألياف اللب مع النمام في سماء المنطقة حتى يتم فرقت الألياف ويمكن رؤية أي المجاميع في رد الفعل.
      ملاحظة: التشتت يمكن بمساعدة من مزج الطين في الماء قبل إضافة اللب إلى 3 L القارورة.
  3. بدء الأكسدة بإضافة ببطء حل 12٪ من هيبوكلوريت الصوديوم (NaClO، 51.4 مل، 5 مليمول غرام من السليلوز في المائة) إلى خليط التفاعل.
    ملاحظة: للحصول على الاتساق في جميع أنحاء رد فعل، واستخدام ضخ حقنة لتسليم NaClO بمعدل حقن 1.5 مل / دقيقة.
  4. ملء واي حقنة الثانيال هيدروكسيد الصوديوم (هيدروكسيد الصوديوم، 0.5 M) ويدويا متر الحل القلوي في قارورة الإفلات من الحكمة للحفاظ على درجة الحموضة في 10 ± 0.2.
  5. رصد التغير في الرقم الهيدروجيني مع الوقت ومرة ​​واحدة تتأكسد جميع مجموعات الهيدروكسيل يمكن الوصول إليها على السليلوز درجة الحموضة لن تنخفض وردود الفعل كاملة.
  6. إضافة ETOH الزائدة تستهلك المتبقية NaClO. وحوالي 6 مل من 200 دليلا ETOH تستهلك كل 100 ملمول من NaClO الأصلي.
  7. تصفية وغسل الألياف المؤكسد جيدا بالماء النقي لإزالة الكواشف حتى الرقم الهيدروجيني محايدة. استخدام جهاز للطرد المركزي سلة أو بعض الأجهزة مثل الترشيح قمع بوخنر لاسترداد الألياف. تخزين الألياف في 4 درجات مئوية حتى استخدامها مرة أخرى.
    ملاحظة: عند الانتهاء من التجربة، يجب أن يكون محتوى الألياف حمض الكربوكسيلية، على النحو الذي يحدده المعايرة توصيلية، بين 1،0-1،5 مليمول لكل غرام من الألياف. يجب أن يكون هناك اختلاف بسيط في مظهر من الألياف بعد أكسدة TEMPO.
  8. إنشاء 3٪ (ث / ت، على أساس الوزن الجاف) من الطين وتيرة أكسدة اللب ومزيج في الخلاط حتى يصبح المتحاربة الطين اللزج وشفرات بدء الغزل في الهواء بسبب التبلور من التعليق.
    ملاحظة: تركيزات السفلى لا تعمل بشكل فعال لfibrillate السليلوز.
    1. تمييع الطين المخلوطة إلى 0.1٪ (ث / ت) ومواصلة مزج حتى يصبح التعليق شفافة.

2. طبقة تلو طبقة ترسب السينمائي للتجارب QCM-D

  1. تحضير المحاليل المائية التالية وضبط كل حل مع هيدروكسيد الصوديوم 0.1 M إلى الرقم الهيدروجيني من 10.5: حل العازلة المائية (المياه وهيدروكسيد الصوديوم)؛ 0.5٪ (ث / ت) محلول مائي من كلوريد polydiallyldimethylammonium (PDDA)؛ و 0.01٪ (ث / ت) اللجنين. ضبط الرقم الهيدروجيني للتعليق NFC 0.1٪ إلى 8.0.
    ملاحظة: تم رفع الرقم الهيدروجيني لهذه التجارب لأنها أظهرت في وقت سابق ان اللجنين تمتز في حالة أقل مجمعة في درجة الحموضة القلوية 56.
  2. نظيفبلورة الكوارتز المغلفة بالذهب التالية مصنعين توصية باستخدام محلول قاعدة سمكة البيرانا [تنبيه] (3:1 تتركز NH 4 OH: H 2 O 2 عند 60 درجة مئوية) لمدة 10 دقيقة.
    1. شطف مع بلورات الماء النقى ضربة الجافة في تيار من N 2، وإدراج فورا في الخلية الكوارتز الكريستال تدفق توازن دقيق لتجنب التلوث من الجو.
  3. تمرير العازلة من خلال خلية تدفق الحصول على استجابة خط الأساس من الكريستال صدى تتعرض لالسائل.
    1. إيداع طبقة من PDDA على بلورة الكوارتز من خلال تعريض الكريستال الكوارتز إلى حل PDDA لمدة 5 دقائق.
    2. بعد 5 دقائق التبديل إلى حل العازلة.
      ملاحظة: هذه العملية في الخطوة 2.3 يخلق استجابة طبقة واحدة حيث يمكن تحديد كمية البوليمر المودعة دون تأثير اللزوجة حل البوليمر.
    3. تكرار الامتزاز من البوليمرات الأخرى في التسلسل التالي مع ص العازلةINSE بين كل خطوة: PDDA (+) (الخطوة 2.3.1)؛ اللجنين (-)؛ PDDA (+)؛ وNFC (-). تكرار 4X دورة لإيداع 16 مجموع طبقات من البوليمرات والجسيمات النانوية.

3. طبقة تلو طبقة ترسب السينمائي لفؤاد وEllipsometry التجارب

  1. الغراء قرص دائري من الميكا إلى شريحة المجهر والزجاج باستخدام الايبوكسي لاصقة سريعة. بعد علاج لاصقة، ونعلق قطعة من الشريط إلى قرص الميكا. قشر الشريط بعيدا مما تسبب في سطح الميكا ليلتصق.
    1. تنظيف رقاقة السيليكون مع حمض سمكة البيرانا [تنبيه] (3:1 H 2 SO 4: H 2 O 2) لمدة 20 دقيقة تليها الشطف كبيرة في المياه قبل طبقة الترسيب.
  2. مع حلول أعد في 2.1، وتراجع إما الميكا المشقوق حديثا التي يتم تركيبها على شريحة زجاجية أو رقاقة السيليكون تنظيفها حديثا في كل حل باتباع نفس تسلسل البروتوكول المبينة في 2.3.3.
    ملاحظة: هذه التقنية سوف تخلق طبقات من بوlymers على كل من هذه الأسطح التي يمكن إدراجها في فؤاد أو ellipsometer، على التوالي.
  3. صورة طبقات المودعة لدى مجهر القوة الذرية. استخدام وضع اتصال متقطع والكابولي مع دائرة نصف قطرها 10 نانومتر نصائح السيليكون (ربيع ثابت 42 نيوتن / متر) عند جمع الصور من العينة. تعيين حجم المسح الضوئي إلى 2.5 × 2.5 ميكرون، وأشر المسح كما 512 ومكاسب لا يتجزأ من 10 إلى جمع الصور عينة محددة.
  4. لقياس سمك طبقات مع فؤاد من الأفلام LBL المجففة، واستخدام البلاستيك اللين ماصة طرف وندبة خط عبر السطح من الأفلام LBL استعداد على سطح الميكا.
  5. الأفلام إيداع LBL لقياس ellipsometry على رقائق السليكون. قياس سمك الفيلم الجاف مع مرحلة التضمين ellipsometer في طول موجة من 632.8 نانومتر باستخدام زاوية متعددة من وضع الإصابة. تختلف الزوايا بين 85 ° و 65 ° ° 1 في فترات.

4. إعداد الحرة يقف LBL السينمائي

  1. قطع ل25.4 X 7.6 ملم مستطيل من خلات السليلوز (CA) فيلم (DS 2.5) وهذا هو 0.13 مم ونعلق على ذراع قحافة الآلي.
    ملاحظة: خلات السليلوز من DS 3.0 غير قابل للذوبان في الأسيتون ذلك يفضل DS 2.5 لاسترداد الأفلام الطبقات.
  2. ملء كل كوب 500 مل مع حلول PDDA، اللجنين، وnanocellulose وفقا لتركيز ودرجة الحموضة في الخطوة 2.1.
    1. ملء ثلاثة أكواب إضافية مع العازلة مائي لاستخدام كحل شطف لكل دورة الترسيب.
    2. برمجة الذراع قحافة المضي قدما في نفس تسلسل كما ورد في 2.3.3.
      ملاحظة: من المهم لاستخدام الحل شطف مختلفة بعد كل حل البوليمر منها لأنه في عملية طبقة تلو طبقة، بعض البوليمر التي لم يتم بإحكام على السطح سوف تمج. التلوث العرضي للحلول شطف يسبب بسرعة هطول المجمعات متضاعف الكتروليتي، والتي يمكن أن يمتص ب "عيوب" على سطح الفيلم.
  3. تغيير الحلول فيدورق خلال 250 دورات بشكل دوري لأنها تبدأ في الظهور غائم بسبب المجمعات الغروية. خيار هو لأتمتة تجديد الحل باستخدام مضخة تحوي على تقديم حل جديد أو المخزن المؤقت لالبولي فينيل (PVC) حاويات مصنوعة خصيصا مع مداخل ومنافذ البيع.
    ملاحظة: حلول المهتاج في حاويات تساعد على تعزيز نشر من polyelectrolytes إلى السطح.
  4. تقليم بعناية حواف العينة المجففة مع مقص تعريض حافة CA ووضع في طبق بتري الزجاجية المغطاة مليئة الأسيتون لإذابة CA.
    ملاحظة: يتم عزل اثنين من الأفلام بعد هذه التجربة من الجبهة ومساعدات من CA.
  5. نقع الأفلام معزولة في الأسيتون لمدة 24 ساعة وشطف الأفلام مرارا وتكرارا مع الأسيتون لتعظيم إزالة CA المتبقية.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

QCM-D تحليل منظم وودي تصنيع البوليمرات السينمائي

الامتزاز LBL من اللجنين، تم رصد NFC وPDDA في الوقت الحقيقي مع QCM-D في اثنين من تجارب مختلفة تنطوي على نوعين من يغنينس. هذا الأسلوب تحليل حساس جدا للكشف عن تغيرات في وتيرة عندما كثف الجزيئات على السطح من الكريستال الكوارتز الشكل 1 يحتوي على وصف تفصيلي للاستجابة QCM-D في دورة واحدة ترسب، والتي تنطوي على اثنين من طبقات ثنائية (PDDA: HMWL وPDDA: NC). تمثل بيانات التغير في وتيرة تطبيع وتبديد لليغلب 7 (الصك بالكشف عن تردد الأساسية و3-13 إيحاءات التوافقي ونيف). تم الحصول على خط الأساس الأول مع الرقم الهيدروجيني 10.5 ملي-Q المياه (توصف بأنها عازلة)، تليها مقدمة من البوليمر الموجبة، PDDA. ويرتبط إدخال هذا البوليمر (الخطوة 1) مع انخفاض في ΔF، والزيادة المقابلة في ΔD. هذا الرد هو attribuتيد لمزيج من امتصاص PDDA على الذهب المطلي الركيزة الكوارتز والتغيير في الآثار الأكبر من السائل في اتصال مع وضوح الشمس تهتز. وأعقب الخطوة 1 خطوة شطف (الخطوة 2) مع المخزن المؤقت لإزالة الزائدة / البوليمر غير منضم، وينفي وتيرة وتبديد استجابة بسبب الآثار الأكبر من حل البوليمر. لذلك، تم إجراء الشطف بعد كل خطوة البوليمر الامتزاز. ويرجع ذلك إلى امتزاز لا رجعة فيه PDDA التغير الصافي في ΔF وΔD من خط الأساس بعد الخطوة 2. في الخطوة 3، وقدم الحل اللجنين، مما أدى إلى انخفاض في ΔF والزيادة المقابلة في ΔD. الخطوة 4، تسبب في الخطوة شطف زيادة طفيفة في ΔF، ومع ذلك ظلت دون تغيير ΔD، مما يوحي بأن اللجنين وتودع كطبقة جامدة فوق طبقة PDDA عندما تكون في اتصال مع الذهب المطلي الركيزة الكوارتز. لإيداع طبقة ثنائية الثانية، (PDDA: NC)، وأعيد الحل PDDA على ligniن طبقة (الخطوة 5). ارتبط إدخال حل PDDA مع انخفاض طفيف في ΔF، وزيادة كبيرة في ΔD. ومع ذلك، بعد الانخفاض الأولي، كانت هناك زيادة تدريجية في ΔF تليها الهضبة. بعد شطف العازلة (الخطوة 6)، وصافي التغيير في ΔF وΔD بعد ترسب PDDA على طبقة اللجنين (ΔF = -31.6 هرتز؛ ΔD = 1.3 × 10 -6) وجدت لتكون أقل قليلا من الطبقة السابقة (ΔF = -33.2 هرتز؛ ΔD = 1.7 × 10 -6). هذا التغيير هو نتيجة لتفاعل قوي بين PDDA واللجنين 56،57، والتي قد تسبب الامتزاز جزئية من اللجنين ملزمة فضفاضة المودعة في الخطوة 3 (لاحظ في المقطع أدناه فؤاد، لا يزال اللجنين في النظام). في الخطوة 7، وقدم التعليق NC على طبقة PDDA مما أدى إلى زيادة في ΔF وانخفاض مماثل في ΔD. تم العثور على هذا التغيير أن يكون لا رجعة فيه بعد خطوة شطف (الخطوة 8) مما يدل على أن NC كان irreversibأودعت لاي على PDDA. في الدراسة الحالية أجريت دورات ترسب أربعة فقط (8 طبقات ثنائية، 4 دورات)، لأنه تم العثور على التغيير ΔF وΔD أبعد من ذلك عدد من الدورات لا تكون قابلة للتكرار. الشكل 2 يوضح التغير في تطبيع ΔF وΔD من يغلب 7 نتيجة لامتصاص متتابعة من البوليمرات PDDA، NC HMWL وبعد أربع دورات الترسيب. تجدر الإشارة إلى أن الامتزاز من البوليمرات لم يتبع تغيير خطي في ΔF وΔD مع إضافة كل طبقة ثنائية، والتي كما لوحظ مع أنظمة أخرى LBL 49،58. الامتزاز LBL من NC، PDDA وOL (NC-PDDA-OL)، كما هو موضح في الشكل (3)، وجدت لمتابعة عملية الامتزاز متتابعة لاحظ مع NC-PDDA-HMWL. ومع ذلك، تم العثور على أنظمة تختلف مع الاحترام لكمية الدقيق للبوليمرات المودعة في كل طبقة. هو الفرق بين هذين النظامين بسبب نوع من اللجنين المستخدمة، والقط كانت البوليمر الأيونية وNC استخدام نفس في كلا النظامين.

الشكل 1
الشكل 1. وصف الخطوات المتبعة في دورة ترسب 1 من LBL امتزاز-NC-PDDA HMWL. هذا الرقم يدل على تغير في تطبيع ΔF وΔD من التوافقي 7.

الرقم 2
الشكل 2. التردد والاستجابة تبديد التوافقي 7 نتيجة امتصاص LBL من NC-PDDA-HMWL في 4 دورات ترسب (8 طبقات ثنائية).

load/51257/51257fig3highres.jpg "سرك =" / files/ftp_upload/51257/51257fig3.jpg "/>
الرقم 3. التردد والاستجابة تبديد التوافقي 7 نتيجة امتصاص LBL من NC-PDDA-OL في 4 دورات ترسب (8 طبقات ثنائية).

التصوير السينمائي تراكم مع القوة الذرية المجهر

كشفت صور فؤاد تغطية كاملة من السطح مع اللجنين في أول طبقة ثنائية PDDA-اللجنين لكلا HMWL وOL (الشكل 4). كانت RMS القيم خشونة لHMWL وOL 1.6 و 3.8 نانومتر، على التوالي. وأظهرت صور فؤاد من أول PDDA-NC طبقة ثنائية أن السطح كان لا تغطيها تماما مع الألياف NC، وكشفت متناثرة ييفات NC في الصور مم 2.5 × 2.5 (الشكل 5A، RMS خشونة 1.6 نانومتر). ومع ذلك، مع استمرار تراكم طبقة، تم العثور على أكثر من التوحيد لييفات المودعة، كما رأينا في الشكل 5B (RMS خشونة 5.3 نانومتر). نتائج مماثلة نحنإعادة رأينا مع البيانات QCM-D، كما ΔF لNC تغيير أكبر في حجم في دورة الأرقام أعلى. كان كتلة كثف المقدرة باستخدام نموذج Johannsmanns للدورات 1 و 4 من طبقة NC في نظام NC-PDDA-1.11 ± 0.13 HMWL ملغ / م 2 و 5.44 ± 1.78 ملغ / م 2، على التوالي. ولوحظ اتجاه مماثل أيضا مع نظام NC-PDDA-OL مع كتلة NC المقدرة 1.15 ± 0.09 و 5.46 ± 1.79 ملغ / م 2 للدورات 1 و 4 على التوالي. وتشير هذه التقديرات إلى أن الكتلة المائية من طبقة NC المودعة في دورة ترسب 4 4X هو أكبر من دورة ترسب 1. ويمكن أيضا أن تعزى الزيادة في الكتلة المرتبطة NC الامتزاز إلى الماء مجرور في بنية مسامية إنشاؤها بواسطة الألياف. وقد تم الإبلاغ عن زيادة في كمية المياه المحاصرين، مع زيادة في سمك طبقة في النظم التي تنطوي متعددة الطبقات MFC 48،59. صور فؤاد تبين بالإضافة إلى ذلك كثف اللجنين على طول coate PDDA د ييفات بعد خطوة ترسب اللجنين، كما رأينا في الصور بعد 3 دورات (أرقام 6A وب).

الرقم 4
الشكل 4 أ) صور فؤاد السعة من PDDA على الميكا (5 × 5 ميكرون)؛ ب) MWL على PDDA (2.5 × 2.5 ميكرون)، وج) OL على PDDA (2.5 × 2.5 ميكرون).

الرقم 5
الرقم 5. صور الارتفاع من NC على PDDA بعد 1 (أ) و 3 (ب) دورة ترسب (2.5 × 2.5 ميكرون).

ضمن صفحة = "دائما"> الرقم 6
الشكل 6 أ) والسعة ب) وصور ارتفاع HMWL بعد دورة ترسب 4 (2.5 × 2.5 ميكرون). الصور تظهر جزيئات اللجنين تترسب على الألياف NC من دورة ترسب 3.

خالية من مكانة LBL أفلام

تم إنشاؤها الأفلام LBL قائمة بذاتها بعد 250 دورات ترسب مع كل دورة دمج اثنين PDDA، اللجنين واحد، وطبقة nanocellulose واحدة. تم عزل هذه الأفلام بعد حل الركيزة خلات السليلوز في الأسيتون (الشكل 7). كانت الملاحظة الأولي للفيلم أنه شفاف وقابل للانحناء. نادرا ما ترتبط هذه الخصائص مع اثنين من المواد المركبة القائمة على اللجنين التي تحتوي على اللجنين تحميل كبيرة. وتراجع فيلم عينات في النيتروجين السائل لمدة 2 دقيقة و د تطبيق قوة الانحناء مع مجموعة ثانية من ملقط تمزق العينات. SEM من المقاطع العرضية-البرد كسر من الأفلام LBL يعرض هيكل رقائقي (الأرقام 8A وب). تم العثور على سمك كل من NC-PDDA-NC-HMWL وPDDA-OL أن ما يقرب من 4.3 ميكرون، وهو ما يعني في المتوسط ​​سمك حوالي 17 نانومتر في دورة الترسيب. تشير البيانات SEM سمك أعلى بكثير بالمقارنة مع التقديرات QCM-D. ومع ذلك، أجريت القياسات QCM-D من لدورات ترسب 4 فقط (تصل إلى حدود الصك ويرجع ذلك إلى السطح اللزجة). من نتائج QCM-D، لوحظ أن طبقة تراكم لم خطية لدورات ترسب الأربع التي تمت دراستها. لذا تشير البيانات التي يتطلب أكثر من 4 دورات ترسب لزيادة سماكة في كل دورة إلى الهضبة.

pload/51257/51257fig7highres.jpg "سرك =" / files/ftp_upload/51257/51257fig7.jpg "/>
الرقم 7. فيلم قائم بذاته من NC-PDDA-HMWL تم الحصول عليها بعد 250 دورات الترسيب. تم الحصول على هذه الأفلام قائمة بذاتها بعد حل الركيزة خلات السليلوز في الأسيتون.

الرقم 8
الرقم 8. SEM الصور التي تظهر بنية رقائقي من المقاطع العرضية من الأفلام LBL-البرد كسر بعد 250 دورات الترسيب. تم الحصول على هذه الأفلام قائمة بذاتها ل) NC-PDDA-HMWL وب) NC-PPDA-OL بعد خلات السليلوز تم حل الركيزة في الأسيتون. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

تلفيق Nanocellulose

لnanocellulose تلفيق أكسدة ناجحة من الألياف اللب هو ضروري لالرجفان السهل. يتم التحكم بواسطة الأكسدة المتوفرة هيبوكلوريت الصوديوم، والذي ينبغي أن يضاف ببطء في كميات معروفة على أساس كمية من السليلوز. سبب واحد للأكسدة محدودة ينشأ من تخزين محلول هيبوكلوريت الصوديوم لفترات طويلة. ويمكن الإشارة إلى هذا انخفاض الكفاءة الأكسدة أثناء عملية التفاعل؛ الطين اللب يجب أن تتحول إلى لون شاحب مصفر، الطريق جزئيا من خلال التفاعل أثناء الأكسدة ناجحة. إذا كان هذا لا يحدث، ومحتوى حمض الكربوكسيلية من الألياف عادة ما تكون أقل من المستويات التي تمكن من السهل الرجفان.

يمكن أن يحدث الرجفان من الألياف تتأكسد مع محتوى حمض الكربوكسيلية أعلاه 1.0 مليمول / غرام من السليلوز من قبل عدد من طرق العلاج المختلفة الميكانيكية تسفر عن نتائج مماثلة في nanocellulose حجم الجسيمات. Ultrasonicatiمع ارتفاع في القرن صوتنة السلطة لفترات زمنية قصيرة أو التجانس مع خلية ميكروفلويديك بدائل لمزج الألياف أكسدة. يوفر السابق طريقا لإعداد دفعات واحدة من 200 مل من تعليق NFC أو أقل، في حين توفر هذه الأخيرة طريقا لإعداد لتر من الايقاف nanocellulose. وقد أظهرت التجارب الماضية باستخدام القوة الذرية المجهري أن هذه الألياف لها أطوال من 530 ± 330 نانومتر، وسمك 1.4 ± 0.7 نانومتر 60.

QCM-D اللزجة النمذجة

يمكن تحديد كتلة وسمك طبقات البوليمر كثف من العلاقة سوربري. ومع ذلك، فإن هذه الطريقة صالحة فقط إذا كانت طبقة المودعة غير جامدة، ويؤدي النظام برمته باعتباره مرنان مركب. هذا القيد يمكن التحقق من خلال رصد الاعتماد تردد إيحاءات (ΔF / ن). الشكل 9 يبين أنه مع الزيادة في عدد من الطبقات، وإيحاءات التحركبعيدا عن بعضهما البعض، الأمر الذي يوحي بأن كما يزيد سمك، واستجابة من الأفلام تميل إلى أن تكون أقل جمودا اللزجة و48. لفيلم سمكا أو اللزجة، وطبيعة انتشار الموجة الصوتية في القص وخلال الفيلم يؤثر على تقدير من كتلة إلى جانب 61. لذلك، في مثل هذه الحالات، ΔF ليس يتناسب طرديا مع Δm. أيضا، من المهم جدا أن نفهم أن الكتلة المقدرة مع QCM-D قد تشمل المياه إلى جانب بسبب الماء والسحب اللزج. كمية المياه إلى جانب يختلف تبعا لطبيعة الفيلم كثف، ولكن يمكن أن تتراوح عادة بين 1.5-4X الكتلة المولية للمادة كثف 61.

الرقم 9
الرقم 9. استجابة التردد من التوافقيات ونيف 5-11 نتيجة لLBL امتزاز PDDA، HMWL، ونورث كارولاينا، وتبين الاعتماد تردد التوافقيات حيث بلغ عدد الطبقات زيادة.

وJohannsmann نموذج يمكن استخدامها لحساب الحد من طراز سوربري. يحدد هذا النموذج البديل كتلة مست الحقيقية للطبقة اللزجة، وقد استخدمت لدراسة خصائص الامتزاز أنظمة مختلفة مثل المجمعات متضاعف الكتروليتي على ركائز البوليسترين 62، والبروتينات على الذهب الركيزة 63، والسليلوز microfibrillated على polyelectrolytes 48،49 الشكل 10 يقارن كتلة المساحي يقدر مع Johannsmann النموذج بعد أربع دورات ترسب لأنظمة NC-PDDA-NC-HMWL وPDDA-OL. يتم إعطاء قيم كتلة كثف لكل دورة وكتلة NC واللجنين في كل دورة في الجدول 1 و 2 على التوالي. من المقارنة، يتضح أن مجموع كتلة كثف بعد أربع دورات الامتزاز مشابه لكلا NC-PDDA-NC-HMWL وPDDA-OL (29.38 ± 2.57 و 31.78 ± 2.44 ملغ / م 2، على التوالي). من الامتزاز دورات الأربع التي تمت دراستها، كان ينظر إلى كتلة من اللجنين كثف في دورات الأولين تختلف بين النظامين. وكانت كتلة HMWL كثف في دورات الامتزاز 1 و 2 مرتين تقريبا أن من رأ (الجدول 2). ومع ذلك، كانت كتلة من اثنين من يغنينس مختلفة كثف في دورات 3 و 4 مماثلة. كان كتلة NC كثف في كل من أنظمة مشابهة باستثناء دورة 2، حيث كانت كتلة NC كثف في NC-PDDA-OL أعلى قليلا من NC-PDDA-HMWL. تسبب هذا الاختلاف بداية دورة 3 أن يكون على نفس القدر من مجموع كتلة لالنظامين. هذه النتائج تشير إلى أنه بعد دورات الأولية لا يوجد فارق كبير في التجمع من أجل نوع من اللجنين في الأفلام المركبة. وتشير هذه البيانات إلى أن الأفلام LBL الجدران النباتية نموذج يمكن أن تنشأ من يغنينس من أصول البيولوجية المختلفة و / أو بروتوكولات العزلة. حاليالا توجد أي وسائل أخرى التي يمكن أن تجعل نموذج قائم بذاته المواد جدار الخلية مع تحديد يغنينس من بنية معينة.

الرقم 10
الرقم 10. الشامل المساحية يقدر مع نموذج Johannsmann ل-NC-PDDA HMWL (■) وNC-PDDA-OL (●) بعد 4 دورات الترسيب.

دورة # الشامل لكل دورة (ملغ / م 2) التراكمي الشامل (ملغ / م 2)
NC-PDDA-HMWL NC-PDDA-OL NC-PDDA-HMWL NC-PDDA-OL
1 6.72 ± 0.80 5.51 ± 0.63 6.72 ± 0.79 5.51 ± 0.63
2 5.03 ± 0.22 5.82 ± 0.50 11.76 ± 0.77 11.33 ± 0.45
3 7.37 ± 0.37 7.52 ± 0.66 19.14 ± 0.98 19.52 ± 0.73
4 10.23 ± 1.97 12.92 ± 1.93 29.38 ± 2.57 31.78 ± 2.44

الجدول 1. الشامل المساحية المقدرة من بيانات QCM-D باستخدام نموذج Johannsmann ل4 دورات الترسيب.

1
دورة # اللجنين (ملغ / م 2) Nanocellulose (ملغ / م 2)
NC-PDDA-HMWL NC-PDDA-OL NC-PDDA-HMWL NC-PDDA-OL
3.16 ± 0.26 1.56 ± 0.57 1.11 ± 0.13 1.15 ± 0.09
2 2.91 ± 0.32 1.30 ± 0.13 2.08 ± 0.36 3.18 ± 0.66
3 3.31 ± 0.39 3.77 ± 0.14 4.00 ± 0.38 3.22 ± 1.51
4 4.72 ± 0.64 4.22 ± 1.34 5.44 ± 1.78 5.46 ± 1.79

الجدول 2. المساحي تقدير كتلة من اللجنين وNC باستخدام نموذج Johannsmann ل4 دورات الترسيب.

مقارنة بين البيانات على غرار أربع دورات ترسب NC-PDDA-NC-HMWL وPDDA-OL (الشكل 11 والجدول 3) يكشف عن اتجاهات مماثلة لوحظت مع Johannsmann '، ق الطراز. الاتجاه الأول هو تشابه سمك النهائي بين الأفلام مع نوعين اللجنين لإعطاء حدود الكثافة الفيلم. كان سمك النهائية بعد 4 دورات ترسب لNC-PDDA-NC-HMWL وPDDA-OL مع كثافة يفترض من 1،000 كجم / م 2 31.5 ± 3.5 و 30.4 ± 5.1 نانومتر، على التوالي (الشكل 12). سمك النهائي لنفسه، مع كثافة يفترض من 1،400 كجم / م 2، وكانت 23.4 ± 2.8 و 22.1 ± 3.1 نانومتر، على التوالي. وكشفت الاتجاه الثاني في بداية الدورة الثالثة حيث التغير في سمك هو نفسه بالنسبة لليغنينس اثنين، كما وجدت لتقدير الشامل. لم يقدر سمك طبقة PDDA بسبب التغيرات ضئيلة أو سلبية في سمك بعد امتصاص PDDA. ومع ذلك، لوحظ أن طبقة كبيرة متتابعة تراكم لم يكن ممكنا من دون امتصاص PDDA التالية امتزاز NC أو اللجنين (لا تظهر البيانات). هذه النتيجة ط ndicates أن امتزاز طبقة الربط هو خطوة حاسمة في تسلسل الامتزاز.

الرقم 11
. الرقم 11 يقدر سمك مع فويت طراز (أسود) مقارنة مع سمك يقدر سوربري المعادلة (7 التوافقي؛ الرمادي). وكان من المفترض كثافة من الفيلم أن يكون 1،000 كجم / م 2.

الرقم 12
الرقم 12. مقارنة مع سمك يقدر فويت نموذجا لل-NC-PDDA HMWL (■) وNC-PDDA-OL (●) بعد 4 دورات ترسب مع كثافة يفترض من 1،000 كجم / م 2.

"jove_content"> ومقارنة سمك nanocellulose واللجنين الأفلام المقدرة باستخدام نموذج اللزجة لسمك ellipsometry (الحالة الجافة) في الجدول 3. أعطى القيم سمك ellipsometry من دورة ترسب أول تقدير قريب من نموذج سمك فويت، مع كثافة يفترض من 1،000 كجم / م 2. قيمة سمك ellipsometry في الجولة الأولى هي تقريبا 2-3X أكبر من كل دورة من دورات 2-4. ويرتبط بهذه الظاهرة إلى الاختلافات في PDDA ترسب في الدورة الأولى نسبة إلى دورات أخرى. من التجارب QCM-D، تم العثور على طبقة PDDA الأولي على الذهب لتكون ~ 2 نانومتر سميكة. ومع ذلك، كان هناك تغيير ضئيل للغاية أو سلبية في كتلة / سمك عندما قدم PDDA على NC أو اللجنين. واعتبر استجابة مماثلة في دراسة سابقة تنطوي LBL امتزاز كرافت اللجنين وPDDA، حيث لوحظ وجود تراكم خطية من سمك الفيلم حتى ولو كان هناك ضئيلة PDDA امتزاز 56. انخفاضويمكن أن يعزى القيم سمك ellipsometry من 2 من خلال دورات ترسب 4 مقارنة مع دورة 1 إلى تغيير في التشكل من طبقة PDDA عندما تترسب على الذهب. ومع ذلك، فإن الامتزاز صغيرة نسبيا من PDDA في دورات 2-4 كافيا لمواصلة عملية التجميع LBL. هناك فرق كبير بين ellipsometry وسمك QCM-D في دورات 3rd و 4th، كما تم العثور على سمك فويت المقدرة (على أساس الكثافة 1،000 كجم / م 2) لتكون ضعف ذلك من سمك ellipsometry لكلا NC- PDDA-NC-HMWL وPDDA-OL النظم. هذه النتيجة بالنسبة إلى البيانات QCM-D تورط مزيد طبيعة اللزجة متزايد من الأفلام كطبقة حصيلة تراكم. يقترح أن أعلى طبقات أكثر مسامية مقارنة مع الطبقات السفلى عقد المياه المحاصرين إضافية. علاوة على ذلك، NC المستخدمة في هذه الدراسة تم تزيين مع مجموعات الكربوكسيل في موقف C6 (المحتوى الكربوكسيل من 1.0 ملمول / غرام من السليلوز)، الأمر الذي يجعل عالم حواءالتمرير أكثر ماء. مجموعات أنيوني تزيين NC يؤدي إلى طبقة يجري رطب ولزج، وبالتالي الانحراف عن العلاقة سوربري؛ العلاقة تنطبق فقط للأفلام رقيقة ومرنة.

دورة # NC-PDDA-HMWL (نانومتر) NC-PDDA-OL (نانومتر)
فويت فويت Ellipsometry فويت فويت Ellipsometry
(1000 كجم / م 2) (1400 كجم / م 2) (1،000 كجم / م 2) (1،400 كجم / م 2)
1 7.2 ± 1.0 5.0 ± 0.4 7.5 ± 0.3 5.1 ± 1.0 4.0 ± 0.5 6.1 ± 0.1
2 12.0 ± 1.1 8.8 ± 1.0 10.4 ± 0.6 11.0 ± 1.3 8.0 ± 0.7 8.1 ± 0.3
3 20.5 ± 1.5 14.4 ± 1.1 12.0 ± 0.3 19.0 ± 2.3 13.2 ± 1.3 11.7 ± 0.1
4 31.5 ± 3.5 23.4 ± 2.8 14.5 ± 0.3 30.4 ± 5.1 22.1 ± 3.1 13.8 ± 0.5

الجدول 3. سمك التراكمي بعد كل دورة الامتزاز يقدرها فويت طراز، ذات الكثافة يفترض من 1،000 و1،400 كجم / م 3، وسمك يقدر من قبل ellipsometry لمدة 4 دورات الترسيب.

للتحقيق في صحة سمك الفيلم الجاف يقدرها ellipsometry، تم إجراء اختبار فؤاد الصفر على حد سواء NC-PDDA-NC-HMWL وPDDA-OL بعد أربعةدورات ترسب على رقاقة سيليكون. الملف الشخصى ارتفاع من اختبار الصفر أعطى بمتوسط ​​سمك 15.1 ± 0.9 و 17.3 ± نانومتر 3.0 نانومتر على التوالي لNC-PDDA-NC-HMWL وPDDA-OL، على التوالي. هذه القيم هي مماثلة في حجمها لتلك التي تقاس ellipsometry (الجدول 3). أدى Ellipsometry في أصغر القياسات (البصرية وجافة)، تليها فؤاد (الملف الشخصي الارتفاع، الجاف)، وQCM-D (الشامل لمست، ويقدر من ولاية رطب).

الاختلافات اللجنين

وهذين النوعين من يغنينس المستخدمة في هذه الدراسة اللجنين organosolv (OL؛ سيغما الدريتش، المؤتمر الوطني العراقي) والخشب الصلب والخشب المطحون اللجنين معزولة سابقا في مختبراتنا وتتميز مؤخرا لهذه الدراسة الحالية (HMWL) 64. وأظهر تحليل عينات من المؤتمر الشعبي العام الأسيتيل من HMWL وOL والمنغنيز من 5،300 و 1،300 غرام / مول على التوالي. جزء من العطرية: الأليفاتية خلات الهيدروجين تحديد من تحليل 1H NMR من العينات اللجنين الأسيتيل نحنإعادة جدت لتكون 1.16:1، 0.26:1 وعلى التوالي لOL وHMWL. وبالتالي، تم العثور OL أن يكون المحتوى الفينولي أعلى بكثير، وهو ما تمثل عدد أكبر من المجموعات الفينولية تأين في درجة الحموضة مرتفعة. كان عدد حمض مجموعه اللجنين اثنين يحدده المعايرة توصيلية 0.41 ± 0.02 و 0.34 ± 0.03 مليمول / غ على التوالي لOL وHMWL. عدد حمض يحدده المعايرة توصيلية يمثل مساهمة من كل من الفينول ومحتوى الكربوكسيلية موجودة في اللجنين. وبالتالي اللجنين أعلى قليلا مشحونة، والتي لديها انخفاض الوزن الجزيئي، يشكل سمك أصغر قليلا في تغيير التردد الأولي. وهناك فرق في ترسب عادة ما يذكر عن متضاعف الكتروليتي الامتزاز على السطوح كما اتهم المسؤول شريحة وMW التغيير 65. في أول دورتين الترسيب، اللجنين organosolv له نصف كتلة المساحي من قيمة اللجنين المطحونة من الخشب. وقد لوحظ هذا الاتجاه أيضا مع الاتفاقات البيئية المتعددة الأطراف ellipsometryurements، وسمك NC-PDDA-OL في الدورة الأولى والثانية أقل من NC-PDDA-HMWL. ومع ذلك، تبين هذه الدراسة أن هناك تغيير في الحد الأدنى من دورات الثالث والرابع، وكذلك 250X عندما يتم تكرار العملية. وعدد كبير من دورات تضخيم الفروق الصغيرة في الامتزاز. وتشير البيانات التي اللجنين مع هيكل المتباينة لا تؤثر بشكل كبير على تصنيع الأفلام قائمة بذاتها. وبالتالي، إما يغنينس التقنية، التي تتوفر من تحويل الكتلة الحيوية إلى ورقة، والوقود، والمواد الكيميائية، أو يغنينس نموذج معزولة بعناية يمكن استخدامها لتشكيل الأفلام قائمة بذاتها مع nanocellulose. هذا هو الواقع كبيرة حيث يغنينس من أصول مختلفة يمكن اختيارها بعناية لجعل الأسطح جدار الخلية الطراز.

العمل في المستقبل ينبغي أن تدمج الهيدروكسيل طبقات الغنية رابط (التركيبية مثل الكحول البولي فينيل أو biobased مثل hemicelluloses) لاستبدال أو زيادة طبقة رابط PDDA المستخدمة في الدراسة الحالية لاستخلاص بمركب متناهي في الصغر المهيكلةالفيلم الذي يمثل أكثر عن كثب مركب جدار الخلية الخشب. دمج microfibrils على السليلوز واللجنين عبر 17 نانومتر هو ضمن مجموعة من هياكل جدران الخلايا الأم وتوفر المواد نموذج جديد لتكون بمثابة جدار الخلية الخشب الاصطناعي.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

والكتاب ليس لديهم ما يكشف.

Acknowledgments

وأيد هذا العمل في المقام الأول من قبل برنامج الدكتوراه الباحث في معهد تكنولوجيا الحرجة والعلوم التطبيقية (ICTAS) في جامعة فرجينيا للتكنولوجيا، وكلية جامعة فرجينيا للتكنولوجيا العليا لدعم برنامج تقنية النانو المستدامة، وأيضا وزارة الزراعة في الولايات المتحدة، عدد المنح NIFA 2010-65504-20429. أشكر الكتاب أيضا مساهمات ريك كوديل، ستيفن مكارتني، جورج وكنيسة ترافيس لهذا العمل.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Sulfate pulp Weyerhaeuser donated brightness level of 88%
Organosolv lignin Sigma Aldrich 371017 discontinued
Hardwood milled wood lignin see reference in paper
Polydiallyldimethylammonium chloride Sigma Aldrich 409022 Mn = 7.2 x 104, Mw = 2.4 x 105
2,2,6,6-Tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO) Sigma Aldrich 214000 catalytic oxidation of primary alcohols to aldehydes with a purity of 98%, molecular weight is 156.25 g/mol
Sodium bromide Sigma Aldrich S4547 purity ≥99.0%, molecular weight 102.89
Sodium hypochlorite Sigma Aldrich 425044 reagent grade, available chlorine 10~15%, molecular weight 74.44 g/mol
Sodium hydroxide VWR BDH7221-4 0.5 N aqueous solution, density 1.02 g/ml, molecular weight 40 g/mol
Sodium hydroxide Acros Organics AC12419-0010 0.1 N aquesous solution, specific gravity 1.0 g/ml, molecular weight 40 g/mol
Ammonium hydroxide Acros Organics AC39003-0025 25% solution in water, pH 13.6, density 0.89, molecular weight 35.04 g/mol
Hydrogen peroxide Fisher Scientific H325-100 30.0~32.0% certified ACS, pH 3.3, density 1.11
Mica sheets TED Pella NC9655733 Pelco, grade V5, 10 x 40 mm, 23 mm T, minimum air and bubbles, very clean
Sulfuric acid Fisher Scientific A300-212 95.0~98.0 w/w%, certified ACS plus, molecular weight 98.08 g/mol
Cellulose acetate McMaster Carr 8564K44 degree of substitution 2.5
Ethanol Decon Laboratories 04-355-223 200 proof (100%), USP
Name Company Catalog Number Comments
Acetone Fisher Scientific A18-4 purity ≥99.5%, certified ACS reagent grade, density 0.79 g/ml, molecular weight 58.08 g/mol
Syringe pump Harvard Apparatus 552226 pump 22 infusion/withdraw with standard syringe holder, flow rate 0.002 μl/hr~55.1 ml/min
Mill-Q water purification system EMD Millipore D3-UV Direct-Q, UV, water conductivity 18.5 MΩ·cm with 20 L reservoir
pH meter Mettler Toledo SeverMulti
Balance Mettler Toledo AB135-S accuracy 0.1 mg
Atomic force microscope Asylum Research MFP-3D, Olympic fluorescent microscope stage
Ellipsometer Beaglehole Instruments
Fiber centrifuge unknown basket style centrifuge
Waring blender Waring Commercial
Ultrasonic processor Sonics Sonics 750 W, sound enclosure
Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D) Q-Sense Inc. E4 measure fundamental frequency of 5 MHz, and monitor odd number overtones/harmonics from 3~13, use gold-coated piezoelectric quartz crystals
Automatted dipper arm Lynxmotion

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Fratzl, P., et al. On the role of interface polymers for the mechanics of natural polymeric composites. Phys. Chem. Chem. Phys. 6, 5575-5579 (2004).
  2. Terashima, N., Fukushima, K., He, L. F., Takabe, K. Forage cell wall structure and digestibity. American Society of Agronomy. , 247-270 (1993).
  3. Himmel, M. E., et al. Biomass Recalcitrance: Engineering Plants and Enzymes for Biofuels Production. Science. 315, 804-807 (2007).
  4. Terashima, N., et al. Nanostructural assembly of cellulose, hemicellulose, and lignin in the middle layer of secondary wall of ginkgo tracheid. J. Wood. Sci. 55, 409-416 (2009).
  5. Fahlén, J., Salmén, L. Pore and Matrix Distribution in the Fiber Wall Revealed by Atomic Force Microscopy and Image Analysis. Biomacromolecules. 6, 433-438 (2005).
  6. Baer, E., et al. Biological and synthetic hierarchical composites. Phys. Today. 45, 60-67 (1992).
  7. Tirrell, D. A., Aksay, I., Baer, E., Calvert, P. D., Cappello, J., Dimarzio, E. A., Evans, E. A., Fessler, J. Hierarchical structures in biology as a guide for new materials technology. National Academy of Sciences. , Washington DC. (1994).
  8. Fengel, D., Wegener, G. Wood: Chemistry, Ultrastructure, Reactions. , (1984).
  9. Santa-Maria, M., Jeoh, T. Molecular-Scale Investigations of Cellulose Microstructure during Enzymatic Hydrolysis. Biomacromolecules. 11, 2000-2007 (2010).
  10. Saar, B. G., et al. Label-free, real-time monitoring of biomass processing with stimulated Raman scattering microscopy. Angew. Chem. Int. Edit. 49, 5476-5479 (2010).
  11. Schmidt, M., et al. Label-free in situ imaging of lignification in the cell wall of low lignin transgenic Populus trichocarpa. Planta. 230, 589-597 (2009).
  12. Ding, S. -Y., Himmel, M. E. The maize primary cell wall microfibril: a new model derived from direct visualization. J. Agricul. Food Chem. 54, 597-606 (2006).
  13. Turon, X., et al. Enzymatic kinetics of cellulose hydrolysis: a QCM-D study. Langmuir. 24, 3880-3887 (2008).
  14. Dammströem, S., et al. On the interactions between cellulose and xylan, a biomimetic simulation of the hardwood cell wall. BioResources. 4, 3-14 (2009).
  15. Barakat, A., et al. Studies of xylan interactions and cross-linking to synthetic lignins formed by bulk and end-wise polymerization: a model study of lignin carbohydrate complex formation. Planta. 226, 267-281 (2007).
  16. Micic, M., et al. Study of the lignin model compound supramolecular structure by combination of near-field scanning optical microscopy and atomic force microscopy. Colloids Surf. B Biointerfaces. 34, 33-40 (2004).
  17. Li, Z., et al. Nanocomposites prepared by in situ enzymatic polymerization of phenol with TEMPO-oxidized nanocellulose. Cellulose. 17, 57-68 (2010).
  18. Gradwell, S. E., et al. Surface modification of cellulose fibers: towards wood composites by biomimetics. C. R. Biologies. 327, 945-953 (2004).
  19. Kaya, A., et al. Surface plasmon resonance studies of pullulan and pullulan cinnamate adsorption onto cellulose. Biomacromolecules. 10, 2451-2459 (2009).
  20. Gustafsson, E., et al. Direct adhesive measurements between wood biopolymer model surfaces. Biomacromolecules. 13, 3046-3053 (2012).
  21. Karabulut, E., Wagberg, L. Design and characterization of cellulose nanofibril-based freestanding films prepared by layer-by-layer deposition technique. Soft Matter. 7, 3467-3474 (2011).
  22. Decher, G., Hong, J. D. Buildup of ultrathin multilayer films by a self-assembly process: II. consecutive adsorption of anionic and cationic bipolar amphiphiles and polyelectrolytes on charged surfaces. Ber. Bunsen. Phys. Chem. 95, 1430-1434 (1991).
  23. Decher, G. Fuzzy nanoassemblies: toward layered polymeric multicomposites. Science. 277, 1232 (1997).
  24. Hammond, P. T. Form and function in multilayer assembly: new applications at the nanoscale. Adv. Mater. 16, 1271-1293 (2004).
  25. Decher, G., Schlenoff, J. B. Multilayer thin films- sequential assembly of nanocomposite materials. , Wiley-VCH. Weinheim. (2003).
  26. Mamedov, A. A., Kotov, N. A. Free-standing layer-by-layer assembled films of magnetite nanoparticles. Langmuir. 16, 5530-5533 (2000).
  27. Mamedov, A. A., et al. Molecular design of strong single-wall carbon nanotube/polyelectrolyte multilayer composites. Nat. Mater. 1, 257-257 (2002).
  28. Podsiadlo, P., et al. Fusion of seashell nacre and marine bioadhesive analogs: high-strength nanocomposite by layer-by-layer assembly of clay and L-3,4-dihydroxyphenylalanine polymer. Adv. Mater. 19, 949-955 (2007).
  29. Podsiadlo, P., et al. Ultrastrong and stiff layered polymer nanocomposites. Science. 318, 80-83 (2007).
  30. Podsiadlo, P., et al. Can nature's design be improved upon? High strength, transparent nacre-like nanocomposites with double network of sacrificial cross links. J. Phys. Chem. B. 112, 14359-14363 (2008).
  31. Becker, A. L., et al. Layer-by-layer-assembled capsules and films for therapeutic delivery. Small. 6 (17), (2010).
  32. Taylor, A. D., et al. Fuel cell membrane electrode assemblies fabricated by layer-by-layer electrostatic self-assembly techniques. Adv. Funct. Mater. 18, 3003-3009 (2008).
  33. Ashcraft, J. N., et al. Structure-property studies of highly conductive layer-by-layer assembled membranes for fuel cell PEM applications. J. Mater. Chem. 20, 6250-6257 (2010).
  34. Lee, S. W., et al. High-power lithium batteries from functionalized carbon-nanotube electrodes. Nat. Nano. 5, 531-537 (2010).
  35. Eriksson, M., et al. The influence on paper strength properties when building multilayers of weak polyelectrolytes onto wood fibres. J. Colloid Interf. Sci. 292, 38-45 (2005).
  36. Lvov, Y. M., et al. Dry and wet strength of paper: layer-by-layer nanocoating of mill broken fibers for improved paper. 21, 552-557 (2006).
  37. Lin, Z., et al. Nanocomposite-based lignocellulosic fibers 1. Thermal stability of modified fibers with clay-polyelectrolyte multilayers. Cellulose. 15, 333-346 (2008).
  38. Cranston, E. D., Gray, D. G., Barrett, C. J. Abstracts; 32nd Northeast Regional Meeting of the American Chemical Society. , Rochester, NY. (2004).
  39. Podsiadlo, P., et al. Molecularly engineered nanocomposites: layer-by-layer assembly of cellulose nanocrystals. Biomacromolecules. 6, 2914-2918 (2005).
  40. Cranston, E. D., Gray, D. G. Formation of cellulose-based electrostatic layer-by-layer films in a magnetic field. Sci. Tech. Adv. Mater. 7, 319-321 (2006).
  41. Cranston, E. D., Gray, D. G. Morphological and optical characterization of polyelectrolyte multilayers incorporating nanocrystalline cellulose. Biomacromolecules. 7, 2522-2530 (2006).
  42. Jean, B., et al. Structural details of cellulose nanocrystals/polyelectrolytes multilayers probed by neutron reflectivity and AFM. Langmuir. 24, 3452-3458 (2008).
  43. Renneckar, S., Zink-Sharp, A., Esker Alan, R., Johnson Richard, K., Glasser Wolfgang, G. Cellulose Nanocomposites. ACS Symposium Series. , 78-96 (2006).
  44. Podsiadlo, P., et al. Layer-by-layer assembled films of cellulose nanowires with antireflective properties. Langmuir. 23, 7901-7906 (2007).
  45. Jean, B., et al. Non-electrostatic building of biomimetic cellulose-xyloglucan multilayers. Langmuir. 25, 3920-3923 (2009).
  46. de Mesquita, J. P., et al. Biobased nanocomposites from layer-by-layer assembly of cellulose nanowhiskers with chitosan. Biomacromolecules. 11, 473-480 (2010).
  47. Wågberg, L., et al. The build-up of polyelectrolyte multilayers of microfibrillated cellulose and cationic polyelectrolytes. Langmuir. 24, 784-795 (2008).
  48. Aulin, C., et al. Buildup of polyelectrolyte multilayers of polyethyleneimine and microfibrillated cellulose studied by in situ dual-polarization interferometry and quartz crystal microbalance with dissipation. Langmuir. 24, 2509-2518 (2008).
  49. Aulin, C., et al. Self-organized films from cellulose I nanofibrils using the layer-by-layer technique. Biomacromolecules. 11, 872-882 (2010).
  50. Azizi Samir, M. A., et al. Review of recent research into cellulosic whiskers, their properties and their application in nanocomposite field. Biomacromolecules. 6, 612-626 (2005).
  51. Siró, I., Plackett, D. Microfibrillated cellulose and new nanocomposite materials: a review. Cellulose. 17, 459-494 (2010).
  52. Eichhorn, S., et al. Review: current international research into cellulose nanofibres and nanocomposites. J. Mat. Sci. 45, 1-33 (2010).
  53. Habibi, Y., et al. Cellulose nanocrystals: chemistry, self-assembly, and applications. Chem. Rev. 110, 3479 (2010).
  54. Teeri, T. T., et al. Biomimetic engineering of cellulose-based materials. Trends Biotechnol. 25, 299-306 (2007).
  55. Saito, T., et al. Homogeneous suspensions of individualized microfibrils from TEMPO-catalyzed oxidation of native cellulose. Biomacromolecules. 7, 1687-1691 (2006).
  56. Pillai, K. V., Renneckar, S. Cation-π Interactions as a Mechanism in Technical Lignin Adsorption to Cationic Surfaces. Biomacromolecules. 10, 798-804 (2009).
  57. Notley, S. M., Norgren, M. Adsorption of a strong polyelectrolyte to model lignin surfaces. Biomacromolecules. 9, 2081-2086 (2008).
  58. Aulin, C., et al. Buildup of polyelectrolyte multilayers of polyethyleneimine and microfibrillated cellulose studied by in situ dual-polarization interferometry and quartz crystal microbalance with dissipation. Langmuir. 24, 2509-2518 (2008).
  59. Argun, A. A., et al. Highly conductive, methanol resistant polyelectrolyte multilayers. Adv. Mater. 20, 1539-1543 (2008).
  60. Li, Q., Renneckar, S. Molecularly thin nanoparticles from cellulose: isolation of sub-microfibrillar structures. Cellulose. 16, 1025-1032 (2009).
  61. Höök, F., et al. Variations in coupled water, viscoelastic properties, and film thickness of a Mefp-1 protein film during adsorption and cross-linking: a auartz crystal microbalance with dissipation monitoring, ellipsometry, and surface plasmon resonance study. Anal. Chem. 73, 5796-5804 (2001).
  62. Naderi, A., Claesson, P. M. Adsorption properties of polyelectrolyte-surfactant complexes on hydrophobic surfaces studied by QCM-D. Langmuir. 22, 7639-7645 (2006).
  63. Kaufman, E. D., et al. Probing protein adsorption onto mercaptoundecanoic acid stabilized gold nanoparticles and surfaces by quartz crystal microbalance and z-potential measurements. Langmuir. 23, 6053-6062 (2007).
  64. Glasser, W. G., Barnett, C. A., Sano, Y. Classification of lignins with different genetic and industrial origins. J. Appl. Polym. Sci.: Appl. Polym. Symp. , (1983).
  65. Van de Steeg, H. G. M., et al. Polyelectrolyte adsorption: a subtle balance of forces. Langmuir. 8, 2538-2546 (1992).

Tags

علم الأحياء النباتية، العدد 88، nanocellulose، الأغشية الرقيقة، الكوارتز الكريستال توازن دقيق، طبقة تلو طبقة، LBL
نحو Biomimicking الخشب: أفلام التجهيز الحرة الدائمة للNanocellulose، اللجنين، وPolycation الاصطناعية
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Pillai, K., Navarro Arzate, F.,… More

Pillai, K., Navarro Arzate, F., Zhang, W., Renneckar, S. Towards Biomimicking Wood: Fabricated Free-standing Films of Nanocellulose, Lignin, and a Synthetic Polycation. J. Vis. Exp. (88), e51257, doi:10.3791/51257 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter