19.10.2022 - Kanazawa University

Chemiker entdecken Risse in der Verliebtheit von Cellulose-Nanokristallen

Der bisher detaillierteste Blick auf die Oberflächenchemie und Struktur einzelner Zellulose-Nanokristallpartikel

Chemiker in Japan, Kanada und Europa haben Fehler in der Oberflächenstruktur von Zellulose-Nanokristallen entdeckt - ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Dekonstruktion von Zellulose, um erneuerbare Nanomaterialien für biochemische Produkte, Energielösungen und Biokraftstoffe herzustellen.

Die in Science Advancesveröffentlichten Ergebnisse sind der bisher detaillierteste Blick auf die Oberflächenchemie und die Struktur einzelner Zellulose-Nanokristallpartikel (CNC).

Das Team unter der Leitung von Forschern der Universität Kanazawa wandte dreidimensionale Rasterkraftmikroskopie (3D-AFM) und Molekulardynamiksimulationen auf einzelne CNC-Fasern in Wasser an. Das hochauflösende Scannen enthüllte neue Details der Zellulosekettenanordnungen auf den CNC-Oberflächen.

"Dies ist ein wesentlicher Schritt zum Verständnis der Mechanismen des CNC-Abbaus, der für die Umwandlung von Biomasse entscheidend ist und für erneuerbare Nanomaterialien und die chemische Produktion von Bedeutung ist", sagte Professor Takeshi Fukuma, Direktor des Nano Life Science Institute an der Universität Kanazawa.

Die Struktur einer einzelnen CNC-Faser zeigte größtenteils wabenförmige oder zickzackförmige Kettenanordnungen auf kristallinen Abschnitten, die in unregelmäßigen Abständen von ungeordneten, nicht kristallinen Bereichen durchsetzt waren. Die Forscher entdeckten strukturelle Defekte in Verbindung mit den nicht kristallinen Bereichen der Oberfläche.

"Dies ist ein großartiges Beispiel für eine internationale Zusammenarbeit, die am Nano Life Science Institute der Kanazawa University entwickelt wurde", sagte Mark MacLachlan, Professor an der University of British Columbia, Canada Research Chair in Supramolecular Materials und Mitautor der Studie. "Es ist wichtig, die Oberflächen und Defekte in diesen natürlichen Strukturen sichtbar zu machen, um ihre Anwendungen voranzutreiben."

Chemiker aus dem Labor von Professor MacLachlan an der UBC halfen bei der Entwicklung des Experiments und synthetisierten und reinigten die Cellulose-Nanokristalle für das Projekt. Computergestützte Studien und Modellierungen wurden von einem finnischen Team unter der Leitung von Professor Adam Foster durchgeführt.

In der Studie wurde auch die dreidimensionale Anordnung der Wassermoleküle in der Nähe der CNC-Oberfläche modelliert, was den Materialwissenschaftlern zusätzliche Anhaltspunkte dafür liefern könnte, wie die CNC-Oberfläche auf molekulare Adsorption, Diffusion und chemische Reaktionen reagieren könnte.

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