Summary
本研究的目的是使用纳米纤维素纤维的层 - 层组装和分离木质素从稀的水性悬浮液组合，以形成合成的植物细胞壁组织。石英晶体微量天平和原子力显微镜的表面测量技术被用来监测聚合物 - 聚合物纳米复合材料的形成。
Abstract
木质材料是由含有层状次生细胞壁多糖和木质素的结构的聚合物组成的植物细胞壁。层 - 层（层层）装配方法，其依赖于从水溶液中带相反电荷的分子的装配来建立木质素和氧化nanofibril纤维素（NFC）的孤立木聚合物的一个独立的复合膜。为方便这些带负电荷的聚合物的组装，带正电荷的聚电解质，聚（diallyldimethylammomium氯化物）（PDDA），被用来作为连接层，以创建该简化模型的细胞壁。分层吸附过程是用石英晶体微量天平与散热监控（QCM-D）和椭偏仪定量研究。结果表明，每一层吸附层的质量/厚度增加，层的总数的函数。吸附层的表面覆盖度，研究了原子力显微镜（AFM）。与木质素在所有的沉积循环的表面的完全覆盖，发现该系统，但是，表面覆盖由NFC随层数。吸附过程进行了250个周期（500个双层）的醋酸纤维素（CA）的衬底。透明自由站立LBL组装纳米复合薄膜，获得当CA衬底后溶解于丙酮中。断裂横截面的扫描电子显微镜（SEM）显示出层状结构，并且每个吸附循环（PDDA-木质素PDDA-NC）的厚度估计为17纳米的研究中使用了两种不同类型的木素。数据表明与高度控制的体系结构，其中纳米纤维素和木质素在空间上沉积的纳米级（聚合物 - 聚合物纳米复合材料），类似的是，在本机细胞壁观察到的膜。
Introduction
有极大的兴趣，从生物质中获得额外的化学品和燃料，如碳光合作用过程中螯合植物是当前的CO 2循环的一部分。大部分固碳（42-44％）是在纤维素的形式，一个β1-4-连接的吡喃葡萄糖单元组成的聚合物;当水解时，葡萄糖可被用作主要的反应物用于发酵成基于酒精的燃料。然而，木本植物细胞壁架构已经进化了数千年创造能抵抗降解在自然环境中1的材料。这种稳定延续到工业加工的木质材料，如能源作物使得纤维素难以进入，隔离和分解成葡萄糖。仔细看看次生壁的超微结构表明，它是嵌入在木质素和下摆的无定形基质分层次晶纤维素微纤维组成的聚合物纳米复合材料icelluloses 2-4。纵取向的纤维素微纤丝的直径为约2-5纳米，这是与其它杂多糖聚合在一起，形成更大的纤维束5的单元。原纤维束被嵌入在木质素半纤维素复合体的苯基丙醇单位的某些联系到其它杂多糖像glucoronoxylan 4的无定形聚合物构成。此外，这种结构进一步组织成层，或片状结晶，整个木质化次生壁6-8。酶，如纤维素酶，有一个非常困难的时间的细胞壁内访问纤维素，因为它被发现在它的原纤维形式和嵌入在木质素。真正使生物基燃料和可再生化学平台成为现实的关键是开发流程，在经济允许的纤维素的原生形式的糖化。
新的化学和成像技术正在帮助在ST参与纤维素9,10的糖化的机制UDY。许多工作都集中在拉曼共焦成像11和原子力显微镜12来研究细胞壁的化学组成和形态。如果能够紧跟脱木素和糖化机制是一个显著的进步，影响纤维素转化为葡萄糖。模型表面的纤维素糖化，通过测量酶动力学速率与石英晶体微量天平与散热监控（QCM-D）13分析。然而，原生细胞壁如上面所指出的高度复杂的，并且这创造了不同的转换过程是如何改变植物细胞壁（聚合物的分子量，化学连接，孔隙率）的结构，歧义。细胞壁物质与已知结构组成的自立式机型会解决这个问题，并允许样品融入最先进的化学和想象力NG设备。
有细胞壁模型的缺乏和几个可用的可归类为聚合物材料的共混物和再生纤维素或细菌纤维素14，酶促聚合木质素-多糖复合物15-17，或模型表面18-21。一些开始像细胞壁模型是含有木质素前体或类似物的纤维素在其微纤丝的形式存在酶聚合的样品。然而，这些材料遭受缺乏组织层结构。为创造纳米复合材料与有组织架构的简单途径是层-层（层层）组装技术，基于聚合物或纳米粒子具有互补收费或官能团而形成有组织的多层复合膜22-25连续吸附。高强度自立混合纳米复合材料，由聚合物层层沉积和做呐noparticles，已报告了科托夫等人 26-30。在许多其它应用中，膜的LbL还研究了其在治疗递送31，燃料电池膜32,33，电池34，和木质纤维素纤维表面改性35-37的潜在用途。在纳米纤维素的近期利益基复合材料导致纳米微晶纤维素（CNC）的制备纤维素纤维的硫酸水解，带正电荷的聚电解质层层38-43多层膜的制备和表征。类似的研究也已开展与海洋tunicin和阳离子聚电解质44，CNC和木葡聚糖45获得纳米微晶纤维素，以及CNC和壳聚糖46。层层叠层形成羧化纳米原纤维素（NFCS），由纸浆纤维与阳离子聚电解质的高压均质得到的也一直研究47-49。的制备，性能和应用的CNC和纳米原纤维详细50-53审阅。
本研究涉及层层技术，因为在一个有序的方式组装孤立的木质纤维素聚合物（如纳米纤维素和木质素）作为实现仿生木质纤维复合材料层状结构的第一步一种潜在方式的检验。的层层技术被选为其良性的加工条件，诸如环境温度，压力，和作为溶剂的水，这是自然形成的复合材料54的条件。在本研究中，我们报告的多层叠合构木构件，即从四甲基哌啶1 - 氧基（TEMPO），纸浆和分离木质素的媒介氧化成自由站立的层状膜的纤维素微纤丝的。两种不同的木质素是从不同的提取技术使用，一个技术从邻木质素rganosolv制浆过程和分离过程中的其它的木质素分离自球磨以较少的修改。这些化合物相结合，与合成的聚电解质在此初步研究证明使稳定的自立式薄膜的体系结构类似于天然细胞壁的可行性。
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Protocol
1，纳米原纤维素制备55
- 设置一个3升三颈烧瓶中加入2升去离子水，顶置式搅拌器和pH探头。
- 添加脱去木质素的牛皮纸浆，88％的亮度（20克，1％（w / v的，干重为基准）），2,2,6,6 - 四甲基哌啶1 - 氧基（TEMPO）（0.313克，0.1毫摩尔/克纤维素）和溴化钠（溴化钠，2.0克，1毫摩尔/克纤维素）到烧瓶中。
- 用顶置式搅拌器混合的纸浆纤维，直到纤维被分散并且没有聚集体可以在反应中可以看出。
注：分散可以通过将在水中的淤浆加入到纸浆的3升烧瓶中之前来辅助。
- 用顶置式搅拌器混合的纸浆纤维，直到纤维被分散并且没有聚集体可以在反应中可以看出。
- 通过缓慢加入次氯酸钠（次氯酸钠51.4毫升，5毫摩尔每克的纤维素）为12％溶液至反应混合物中开始氧化。
注意：对于整个反应的一致性，使用注射器泵交付的NaClO为1.5毫升/分钟的喷射速率。 - 填写第二注射器无线第氢氧化钠（NaOH，0.5M）并手动米的碱溶液到烧瓶中逐滴以维持pH值在10±0.2。
- 监测pH值随时间的变化，一旦所有的纤维素可访问的羟基基团被氧化的pH值不再降低，反应完成。
- 添加过量的乙醇消耗剩余的次氯酸钠。大约6毫升200标准乙醇将消耗所有100毫摩尔原次氯酸钠。
- 过滤器和净化水彻底清洗氧化纤维去除试剂，直到pH为中性。使用篮式离心机或过滤一些设备，如：布氏漏斗以回收纤维。存储光纤在4°C，直到进一步使用。
注意：在完成实验后，纤维应具有的羧酸含量，如由电导滴定法测定，每克纤维的1.0〜1.5毫摩尔。应该有TEMPO氧化后在外观上，纤维的差别不大。 - 创建的TEMPO氧化纸浆的3％（w / v的，干重为基准）的浆料并混合在一战国搅拌器，直到浆料变得粘稠和叶片启动，因为该悬浮液的凝胶纺丝在空气中。
注：较低浓度不作为有效的工作原纤化纤维素。- 稀混合浆液至0.1％（重量/体积），并继续混合，直到悬浮液变成透明的。
2，层 - 层薄膜沉积为QCM-D的实验
- 制备下列水溶液并调整各溶液用0.1M的NaOH至pH为10.5：含水缓冲液（水和NaOH）; 0.5％（重量/体积）的聚二甲基二氯化物（PDDA）水溶液;和0.01％（重量/体积）的木质素。调整为0.1％的NFC悬浮液的pH至8.0。
注：pH值对这些实验中被提升，因为它以前被显示，木质素吸附在一个不太凝聚状态，在碱性pH值56。 - 清洁镀金的石英晶体下使用base食人鱼的解决方案[注意]制造商的建议（3:1浓NH 4 OH：H 2 O 2在60℃）10分钟。
- 冲洗晶体，纯净水，在N 2气流吹干，并立即插入石英晶体微天平流动池，以避免污染的空气。
- 通过缓冲器通过流动池，以获得谐振晶体暴露于液体的基线响应。
- 通过使石英晶体，以5分钟的PDDA溶液沉积层PDDA上的石英晶体。
- 5分钟后，切换到缓冲溶液中。
注意：此过程在步骤2.3创建单个层的响应，其中可以在不将聚合物溶液粘度的效果来确定聚合物沉积的量。 - 用缓冲液R重复其它聚合物的吸附按照以下顺序樱雪各步骤之间：PDDA（+）（步骤2.3.1）;木质素（ - ）; PDDA（+）;和NFC（ - ）。重复循环4倍沉积聚合物和纳米粒子的共16层。
3，层 - 层薄膜沉积为AFM和椭偏实验
- 胶云母的圆盘，以使用快速环氧树脂粘合剂的玻璃显微镜载片上。粘合剂固化后，贴上一块胶布云母光盘。剥离胶带离开造成的云母表面切割。
- 清洗硅片酸食人鱼[注意事项]（3:1 H 2 SO 4：H 2 O 2）20分钟后，以层沉积之前显著冲洗水。
- 用在2.1制备的溶液，浸要么是连接到在下面的协议在2.3.3中概述的相同顺序的各溶液载玻片或刚清洗干净的硅晶片新鲜剥离云母。
注意：此方法将创建PO层lymers在每个这些表面可以分别插入的原子力显微镜或椭率计，的。 - 图像的淀积层用原子力显微镜。采集样本的图像时使用间歇接触模式和悬臂与10纳米半径硅尖（弹簧常数42牛顿/米）。设置扫描尺寸为2.5×2.5微米，扫描点为512和10积分增益来收集特定的样本图像。
- 用于与干燥的LbL膜的AFM层的厚度测量，使用柔软的塑料移液管尖端和疤痕的线横跨在云母表面制备的LbL膜的表面上。
- 存款LBL薄膜椭偏测量到硅片上。测量干膜厚度与相位调制椭偏仪在632.8nm使用的发生率模式的多角度的波长。变化85°和65°之间的角度在1°的间隔。
4，制备自由站立LBL电影
- 一个切醋酸纤维素25.4 x7.6毫米矩形（CA）膜（DS 2.5）的为0.13毫米厚，并连接到自动瓢手臂。
注：DS 3.0的乙酸纤维素是不溶于丙酮，以便DS 2.5，优选以恢复层状薄膜。 - 根据浓度和pH值，在步骤2.1填写各500毫升烧杯中以PDDA，木质素和纳米纤维素的解决方案。
- 填三个额外的烧杯用含水缓冲液作为每个沉积循环冲洗溶液来使用。
- 编程瓢手臂继续在同一顺序中所报2.3.3。
注意：使用每个相应聚合物溶液后不同的清洗溶液是很重要的，因为在层 - 层的过程中，一些聚合物是不紧密结合到表面将解吸。漂洗溶液的交叉污染，导致迅速的聚电解质复合物，它可吸附的“缺陷”，以在膜表面析出。
- 更改解决方案在250次定期烧杯中，他们开始出现，因为胶体复合体的混浊。一种选择是通过使用蠕动泵，以提供新鲜的溶液或缓冲液，以定制的聚氯乙烯（PVC）容器的入口和出口以自动化解决方案的更新。
注：在容器中搅动解决方案帮助提高聚电解质的扩散到表面。 - 小心地修剪干燥样品的边缘与剪刀露出CA边缘，并放入有盖玻璃培养皿装有丙酮溶解的CA。
注：两个薄膜本实验从CA的前面和背面后分离。 - 浸泡隔离薄膜在丙酮中24小时，反复冲洗胶片用丙酮最大限度地去除残留的CA。
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Representative Results
木质结构聚合物膜的制备QCM-D解析
木质素的层层吸附，NFC和PDDA被实时地在2涉及两种类型的木质素的不同实验监测与QCM-D。这种分析方法是非常敏感的检测频率变化时的分子吸附到石英的表面图1包含在一个沉积循环，其中包括两个双层（PDDA的QCM-D反应的详细描述：HMWL和PDDA： NC）。该数据表示在频率和第七泛音（仪器检测的基频和3-13奇次谐波泛音）的损耗归一化的变化。首先用pH为10.5的Milli-Q水（称为缓冲液）得到的基线，随后引入阳离子聚合物，PDDA的。此聚合物（步骤1）的引入是与减少的ΔF，并在ΔD的相应增加相关联。这个响应是attribu泰德吸附PDDA的镀金石英衬底和在液体中的与振动体接触的体效应的变化的组合。步骤1之后是清洗步骤（步骤2），用缓冲液以除去过量/未结合的聚合物，以及否定的频率和耗散响应由于聚合物溶液的体积的效果。因此，每一种聚合物的吸附步骤之后，进行漂洗。从第2步后的基线ΔF与△D的净变化是由于PDDA的不可逆吸附。在步骤3中，木质素溶液引入，这导致在ΔF的降低和ΔD的相应增加。步骤4，在漂洗步骤中引起的ΔF略有增加，但在ΔD保持不变，这表明木质素沉积为一刚性层在PDDA层时，在用金涂覆的石英衬底接触。沉积第二双层，（PDDA：NC）的PDDA溶液中再引入在lignin-层（步骤5）。的PDDA解决方案的推出是有轻微的下降ΔF，并在ΔD显著增加有关。然而，最初的下降后，有后跟一个高原的逐渐增加ΔF。缓冲漂洗（步骤6）后，净变化ΔF和ΔDPDDA的木质素层上沉积之后（ΔF= -31.6赫兹;ΔD= 1.3×10 -6），被发现是比以前的层略低（ΔF= -33.2赫兹;ΔD= 1.7×10 -6）。这个变化是PDDA和木质素56,57，这可能造成松散结合的木质素沉积在步骤3中的局部解吸之间有很强的相互作用的结果（在下面的AFM节注释，木质素仍保留在系统中）。在步骤7中，NC悬浮液引入导致增加ΔF和ΔD相应减少的PDDA层上。这种变化被发现的冲洗步骤（步骤8），表明NC一直irreversib后是不可逆的LY沉积在PDDA。在目前的研究中只有四个沉积循环（8个双层，4周期）被执行，因为ΔF和ΔD变化超出周期这个数被发现不被重现的， 图2示出了ΔF的第七泛音和ΔD的标准化变化作为聚合物PDDA，HMWL和后4沉积循环NC的连续吸附的结果。应当指出的是，聚合物的吸附没有跟随在ΔF和ΔD的线性变化与另外各双层，这也被指出与其它LBL系统49,58的。在LBL吸附NC，PDDA和OL（NC-PDDA-OL）的， 如图3所示，发现遵循用NC-PDDA-HMWL中观察到的连续的吸附过程。然而，这些系统被发现的不同就沉积在每一层聚合物的确切数额。这两个系统之间的差异是由于所使用的木质素的类型，如猫离子聚合物和NC分别使用相同的两个系统。
图1说明所涉及的NC-PDDA-HMWL的LBL吸附的第一沉积周期的步骤。图中显示了ΔF的7次谐波和ΔD归一化的变化。
图2。频率和7次谐波为NC-PDDA-HMWL在4沉积周期（8双层）的LBL吸附的结果耗散反应。
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图3。频率和7次谐波为NC-PDDA-OL的4沉积周期（8双层）的LBL吸附的结果耗散反应。
成像胶片积聚用原子力显微镜
AFM图像显示与木质素表面的完全覆盖在第一PDDA-木质素双层两种HMWL和OL（ 图4）。为HMWL和OL的RMS粗糙度值分别为1.6和3.8 nm处，分别。第一PDDA-NC双层的AFM图像表明，表面没有被完全覆盖用NC原纤维，并显示散NC纤维在2.5×2.5毫米图像（ 图5a，均方根粗糙度1.6纳米）。然而，由于层堆积持续，更均匀度被发现的沉积，如在图5b（RMS粗糙度为5.3nm）看到的原纤维。类似的结果，我们再看到与QCM-D数据，作为ΔF数控在更高周期的数字幅度变化较大。使用Johannsmanns的模型数控层NC-PDDA-HMWL系统的周期1和4估计吸附量为1.11±0.13毫克/米2和5.44±1.78毫克/米2，分别。类似的趋势也观察到与NC-PDDA-OL系统，为1.15±0.09和5.46±1.79毫克/米2为周期1和4，分别估计NC质量。这些估计表明，NC层沉积在第四沉积循环的水合物料比所述第一沉积周期的4倍以上。在用NC吸附相关的质量增加也可以归因于夹带在由纤维产生的多孔结构中的水。增加的束缚水的含量，以增加层厚度已报道涉及MFC的多层膜48,59的系统。 AFM图像还显示出沿金属线PDDA吸附木质素ð纤维木质素沉积步骤后，经过3个周期所看到的图像（ 图6a和b）。
。PDDA的云母（5×5微米） 图4中）的原子力显微镜幅图像; 二）MWL上PDDA（2.5×2.5微米），以及c）OL上PDDA（2.5×2.5微米）。
在第一图5 NC对PDDA高度的图像后（a）和第三（B）的沉积周期（2.5×2.5微米）。
图6。一）振幅和HMWL的b）该第四沉积循环（2.5×2.5微米）后的高度的图像。这些图像显示沉积于从第三沉积循环的NC纤维木质素的颗粒。
自由站立LBL电影
之后，每个循环包括两个PDDA，1木质素和1纳米纤维素层250沉积循环中创建的自立式LBL膜。将膜分离的乙酸纤维素底物溶解在丙酮中（ 图7）之后。初步观察该膜的是，它是半透明的，并且可弯曲。这两个属性都很少与其它具有显著加载木质素木质素基复合材料相关。薄膜样品浸入液氮中，持续2分钟的 ð施加弯曲力与第二组钳子的破裂样品。 LBL薄膜的低温断裂横截面的SEM显示层状结构（ 图8a和b）。两个NC-PDDA-HMWL和NC-PDDA-OL的厚度被认为是约4.3微米，这意味着每个沉积周期约17纳米的平均厚度。扫描电镜数据表明一个显著更高的厚度相比，QCM-D的估计。然而，QCM-D测量进行了仅4沉积循环（到达该仪器的限制，由于在粘弹性表面）。从QCM-D的结果，有人指出，该层积聚不是线性的研究为四个沉积周期。因此，该数据表明，它需要对每个周期的厚度增加至高原4个以上的沉积循环。
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图7。后250的沉积循环得到的NC-PDDA-HMWL的一个独立的电影。免费的独立电影溶解在丙酮醋酸纤维素底物后得到的。
图8的SEM图像示出后250沉积循环的冷冻断裂LBL膜的横截面的层状结构。一）NC-PDDA-HMWL和b）NC-PPDA-OL的自由站立膜的纤维素乙酸酯后，得到底物溶于丙酮。 请点击此处查看该图的放大版本。
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Discussion
纳米纤维素的制备
对于纳米纤维素制造的纸浆纤维的成功氧化是必要的轻便颤动。氧化是通过使用次氯酸钠，在已知量基于纤维素的量应缓慢加入控制。原因之一限定氧化源自长时间的次氯酸钠溶液的储存。这降低了氧化效率可以在反应过程中应注意;纸浆液应通过在成功的氧化反应变成浅黄色的颜色，一部分的方式。如果这不发生，该纤维的羧酸含量通常低于水平，使易于原纤化。
氧化纤维具有大于1.0毫摩尔/克纤维素的羧酸含量的纤维性颤动的发生可通过许多不同的机械处理方法得到的纳米纤维素颗粒大小相似的结果。 Ultrasonicati上具有高功率超声喇叭短的时间段或均化用的微流体细胞是替代掺混氧化纤维。前者提供一个途径，以制备单批200毫升NFC混悬剂或更少的，而后者则提供一个途径，以制备升纳米纤维素悬浮液。用原子力显微镜过去的实验表明，这些纤维具有530±330nm的长度和厚度为1.4±0.7nm的60。
QCM-D建模粘弹性
所吸附的聚合物层的质量和厚度可通过绍尔布赖关系来确定。然而，该方法才有效，如果在沉积层是刚性的，并且在整个系统执行作为复合谐振器。这种限制可以通过监测频率的泛音（ΔF/ n）的依赖性被检查。 图9示出了与增加层的数目，则泛音移动越远，这表明随着厚度的增加，膜的响应趋于粘弹性和刚性不足48。对于较厚的或粘弹性的膜，剪切弹性波的传播性质进入并穿过膜会影响耦合块61的估计。因此，在这种情况下，ΔF是不成正比ΔM。还有，重要的是要明白，估计与QCM-D中的块可以包括耦合水，由于水合作用和粘性阻力。取决于吸附膜的性质的耦合水的量而变化，但可在1.5至4倍之间的范围通常吸附材料61的摩尔质量。
奇次谐波为5〜11的图9。作为结果频率响应LBL吸附PDDA，HMWL和NC的，示出了频率的谐波的依赖，层的数量增加。
该Johannsmann模型可以用来解释的绍尔布赖模型的局限性。这种替代模型确定的粘弹性层的真实感测的质量，已被用于研究不同系统，如聚电解质复合物在聚苯乙烯基体62，在金基板63的蛋白质，并在聚电解质48,49微纤化纤维素的吸附特性， 图10比较的面质后用于NC-PDDA-HMWL和NC-PDDA-OL系统4沉积周期估算Johannsmann模型。质量每个周期和NC的质量和每个周期木质素吸附的值列于表1和2中 。从比较中，可以看出，经过4吸附循环吸附的总质量是相似的两个NC-PDDA-HMWL和NC-PDDA-OL（29.38±2.57和31.78±2.44毫克/米2，分别）。从所研究的4吸附周期，木质素吸附于前两个周期的质量被认为在两个系统之间是不同的。 HMWL吸附在吸附周期1和2的质量几乎两倍OL的那个（ 表2）。然而，吸附在周期3和4中的两个不同的木质素的质量是相似的。数控吸附在两个系统中的质量是除循环2，其中数控的质量吸附在NC-PDDA-OL比NC-PDDA-HMWL略高相似。这种差异造成的周期3的开始有总质量相同量为两个系统。这些结果表明，在初始循环后有一个在装配于木质素中的复合膜的类型没有差别。该数据表明，模型植物墙的LbL膜可以从不同生物的起源和/或分离协议的木质素被创建。目前没有任何其他方法，可以使模型独立的细胞壁材料，具有特定结构的选择木质素。
估计与Johannsmann的型号为NC-PDDA-HMWL（■）和NC-PDDA-OL（●）经过4个周期的沉积图10。面质量。
| 循环＃ | 每个周期的质量（毫克/米2） | 累积质量（毫克/米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 |
表1。使用Johannsmann的型号为4沉积周期从QCM-D数据估算面积的质量。
| 循环＃ | 木质素（毫克/米2） | 纳米纤维素（毫克/米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 |
表2。面木质素和NC使用Johannsmann的型号为4沉积循环量的估计。
在NC-PDDA-HMWL和NC-PDDA-OL四个沉积周期建模的数据（ 图11和表3）的比较揭示了Johannsmann观察到了类似的趋势“; S模式。第一种趋势是最终厚度与一个给定的膜密度边界2木质素类型的膜之间的相似性。最终厚度后，为NC-PDDA-HMWL和NC-PDDA-OL 4沉积周期为1000公斤/米2的假设密度分别为31.5±3.5和30.4±5.1纳米，分别为（ 图12）。最终的厚度为相同的，以1400公斤/米2的假定密度分别为23.4±2.8和22.1±3.1纳米，分别。第二趋势显露在第三个周期，其中在厚度变化是相同的两个木质素，如发现质量估计的开始。由于在PDDA吸附后的厚度忽略不计的或负的变化，PDDA层的厚度没有被估计。然而，据观察，显著顺序层积聚是不可能没有PDDA吸附下列NC的吸附或木质素（数据未显示）。这个结果我ndicates该连接层的吸附在吸附序列中的关键步骤。
图11厚度估计与Voigt模型（黑色）相比较，以估计与绍尔布赖方程（7次谐波;灰色）的厚度。该膜的密度假定为1,000千克/米2。
厚度估计与Voigt模型为NC-PDDA-HMWL（■）和NC-PDDA-OL（●）后，用1000公斤/米2的假定密度4沉积循环的图12。比较。
表3中 。从第一沉积循环的椭偏厚度值给出一个接近的估计的Voigt模型的厚度，与1000千克/米2的假定密度。在第一次循环的椭偏厚度值几乎2-3倍比每个周期2-4的大。这种现象是与在第一周期中相对于其它周期中PDDA沉积的差异。从QCM-D的实验中，初始PDDA层上金被发现是〜2纳米厚。然而，在质量/厚度可以忽略不计的或负的变化，当PDDA介绍了NC或木质素。类似的反应主要出现在先前的研究中，涉及牛皮纸木质素和PDDA，在那里观 察薄膜厚度的线性累积即使是微不足道的PDDA吸附56 LBL吸附。较低通过相对于第一周期第四沉积循环的第二椭圆偏振的厚度值可以归因于沉积金时，在PDDA层的构象的变化。然而，在周期2-4中的相对小的吸附PDDA的足以继续LBL组装过程。有一个在第三和第四个周期的椭偏仪和QCM-D厚度之间显著差异，按估计福格特厚度（依据1000公斤/米2的密度）被认为是两倍椭偏厚度为NC- PDDA-HMWL和NC-PDDA-OL系统。这个结果相对于QCM-D数据进一步暗示了影片作为该层积聚收益越来越粘弹性性质。有人建议，在最上面的层是多孔的相比保持额外困水的下层。此外，在本研究中使用的NC是在C6位（1.0毫摩尔/克纤维素的羧基含量），这使得FIBE装饰有羧基RS更具亲水性。阴离子基团修饰的数控导致层是水分和粘性，因此从绍尔布赖关系的偏差;的关系只适用于薄的，有弹性的薄膜。
| 循环＃ | NC-PDDA-HMWL（纳米） | NC-PDDA-OL（纳米） | ||||
| 福格特 | 福格特 | 椭偏仪 | 福格特 | 福格特 | 椭偏仪 | |
| （1000公斤/米2） | （1400公斤/米2） | （1,000千克/米2） | （1,400千克/米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 |
表3。累积厚度由Voigt模型估计每个吸附循环后，以1,000和1400千克/米3，并且厚度为4的沉积循环，估计通过椭圆偏光法假定密度。
调查由椭偏估计的干膜厚度的有效性，原子力显微镜划痕试验后四两个NC-PDDA-HMWL和NC-PDDA-OL执行在Si晶片上沉积循环。从划痕试验的高度轮廓得到的15.1±0.9纳米的平均厚度和17.3±3.0处分别为NC-PDDA-HMWL和NC-PDDA-OL，分别。这些值是在幅度与由椭偏仪（ 表3）测量的相似。椭圆偏振导致在最小的测量（光，干燥），随后通过AFM（高度轮廓，干燥），和QCM-D（感测的质量，从水合状态估计）。
木质素的差异
这两种类型的木质素在本研究中使用是有机溶剂木质素（OL;西格玛奥德里奇公司制造）和硬木磨木木质素先前分离在我们的实验室，最近其特征为目前的研究（HMWL）64。 HMWL和OL的乙酰化的样品的GPC分析表明分别为5300和1300克/摩尔的Mn。的芳族馏分：脂肪族酯氢从乙酰化的木质素样品的1 H NMR分析来确定我们重新发现分别为1.16:1和0.26:1的OL和HMWL。因此，OL被发现有一个显著更高酚含量，这将占在升高的pH值更大数目电离的酚基。两个木质素由电导滴定法测定的总酸值分别为0.41±0.02和0.34±0.03毫摩尔/克为OL和HMWL。通过电导滴定法测定酸值表示从两个酚和现在的木质素中的羧基含量的贡献。因此稍高带电木质素，因而具有较低的分子量，形成一个稍微更小的厚度在初始频率的变化。在沉积的差别通常是值得注意的聚电解质吸附电荷的表面，如段收费和MW的变化65。在头两个沉积循环，有机溶剂木质素具有值的单位面积质量的一半用于研磨木材木质素。这一趋势也观察到与椭偏测量urements，如在第一和第二周期厚度NC-PDDA-OL的比NC-PDDA-HMWL更低。然而，这项研究表明，在第三和第四周期的最小的变化，以及当重复该过程250倍。周期的大量会放大吸附小的差异。这些数据表明，木质素与不同的结构不极大地影响自由站立膜的制造。因此，任一技术木质素，可从生物质转化成纸，燃料，化学品，或者模型木质素仔细分离可用于形成自立式薄膜的纳米纤维素。这其实是显著的地方，可以仔细挑选不同来源的木质素，使模型细胞壁表面。
今后的工作中应结合丰富的羟基连接器层（合成材料如聚乙烯醇或生物基像半纤维素）更换或增加在目前的研究中使用派生的结构化纳米复合材料的PDDA链接层电影更紧密地代表了木材细胞壁合成。纤维素微纤维和木质素在17纳米的集成是在原生细胞壁结构的范围，并提供了一个新的模型材料，作为一种人造木材细胞壁。
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Disclosures
作者什么都没有透露。
Acknowledgments
这项工作主要是支持该研究所的关键技术和应用科学（ICTAS）在弗吉尼亚理工大学，弗吉尼亚理工大学研究生院的博士学者的方案支持可持续纳米技术计划，也农业部美国农业部，NIFA授权号码2010-65504-20429。作者还感谢里克·考迪尔，斯蒂芬·麦卡特尼，和W特拉维斯教会对这项工作作出的贡献。
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 |
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