Natuurkundigen van de Universiteit van Luxemburg hebben onlangs belangrijke stappen voorwaarts gezet bij het oplossen van enkele van de openstaande onderzoeksvragen over cellulose. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in de prestigieuze tijdschriften Angewandte Chemie en Communicatiematerialen .

Cellulose is overal

Wat doet je spijkerbroek, broccoli, papier, bomen in het bos en een van de heetste nanodeeltjes in het huidige internationale materiaalonderzoek gemeen hebben? Hoe ongerelateerd deze items op het eerste gezicht ook lijken, ze zijn allemaal gemaakt van de polymeercellulose. Het is eigenlijk niet zo verwonderlijk dat cellulose in zoveel contexten voorkomt, omdat het het meest voorkomende polymeer op aarde is, gesynthetiseerd in elke plant om het kracht en structuur te geven. Sinds de oudheid, de mensheid heeft begrepen dit verbazingwekkende materiaal te gebruiken, maak er papier van om op te schrijven, katoenvezels voor het maken van kleding, en tijdens het industriële tijdperk in verwante materialen zoals cellofaan voor verpakkingen, nitrocellulose voor nagellak en fotografische film, of hydroxypropylcellulose (HPC) voor het creëren van de vorm en het volume van de pil die u inneemt wanneer u een paar milligram medicijnen nodig heeft. Terwijl HPC ongeveer 99% van de pil uitmaakt, dit wordt niet verteerd, net zoals we de natuurlijke cellulose in broccoli niet kunnen verteren als we het eten. Nog, dat cellulose cruciaal is om ervoor te zorgen dat onze darmen goed werken; wat in voedsel vaak 'vezels' wordt genoemd, is niets anders dan cellulose.

Vandaag, cellulose als geavanceerd materiaal maakt een wedergeboorte door, als wetenschappers over de hele wereld, zowel in universiteiten als in de industrie, ontdekken nieuwe manieren om te profiteren van zijn opmerkelijke eigenschappen. Deze nieuwe ontwikkeling is gebaseerd op de erkenning dat cellulose en derivaten zoals HPC zichzelf kunnen organiseren in complexe geordende structuren, met spectaculaire optische en mechanische eigenschappen, wanneer gesuspendeerd of opgelost in water onder de juiste omstandigheden. Wanneer cellulose deze geordende vloeibare toestand binnengaat, een 'vloeibaar kristal' genoemd, ' het opent voor functionele materialen met een scala aan toepassingsmogelijkheden, die duurzaam zijn geproduceerd en volledig biologisch afbreekbaar zijn, een minimale voetafdruk achterlaten op onze planeet. Dit komt omdat ze zijn afgeleid van planten, algen en andere hergroeiende overvloedige grondstoffen. Echter, de betrokken processen zijn complex, en om de juiste eigenschappen in de geproduceerde materialen te krijgen, veel uitdagende - maar ook stimulerende - vragen in zowel scheikunde als natuurkunde moeten worden beantwoord.

Vloeibare kristallen zijn echt belangrijk

In twee artikelen die zojuist in de prestigieuze tijdschriften zijn gepubliceerd Angewandte Chemie en communicatiemateriaal, respectievelijk, de groep Experimental Soft Matter Physics, onder leiding van Prof. Jan Lagerwall bij de afdeling Natuurkunde en Materiaalkunde van de Universiteit van Luxemburg, presenteert belangrijke stappen voorwaarts bij het oplossen van enkele van de openstaande onderzoeksvragen tussen de overvloedige cellulosebron die royaal wordt geleverd door Moeder Natuur en de geavanceerde materialen die we eruit hopen te halen. Beide artikelen vatten onderzoek samen dat wordt gefinancierd door het Luxemburgs Nationaal Onderzoeksfonds FNR (projecten COReLIGHT, Ssh en MISONANTIE).

In het eerste blad, Emmanouil Anyfantakis, postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Luxemburg, en collega's presenteren een radicaal nieuwe manier om HPC-oplossingen te verwerken, waardoor ze kunnen worden bereid en gemanipuleerd in lage concentraties waar ze gemakkelijk vloeien. Zodra ze hun doelvorm hebben bereikt - hier een bol van ongeveer millimeter groot, aangeduid als een "vloeibaar kristalmarmer" - wordt de concentratie op een zeer gecontroleerde manier verhoogd door overtollig water te laten diffunderen in een omringend organisch oplosmiddel, die na het proces opnieuw kunnen worden gebruikt. De vloeibare kristallen knikkers vertonen opvallende optische eigenschappen dankzij de opstelling van de HPC in een helixstructuur met periode op dezelfde schaal als de golflengte van zichtbaar licht.

"Opmerkelijk, dit soort structurele kleur wordt door het hele marmer gezien, wat niet verwacht wordt van dit type vloeibaar kristal in bolvorm, en de kleur kan over het hele zichtbare spectrum worden afgestemd, van violet tot rood. We hebben aangetoond dat de knikkers als niet-elektronische (en dus autonoom, d.w.z. er is geen batterij of andere stroombron nodig) sensoren van veel verschillende stimuli, inclusief temperatuur, mechanische vervorming en de aanwezigheid van giftige chemicaliën. Bijvoorbeeld, een vloeibaar-kristal HPC-marmer dat aanvankelijk is voorbereid op groene kleur, verschuift naar rood en verliest uiteindelijk zijn kleur bij blootstelling aan de giftige alcohol-methanol, " legt Emmanouil Anyfantakis uit.

In het tweede blad Prof. Jan Lagerwall en zijn voormalige promovendus Camila Honorato-Rios, nu R&D-ingenieur aan het Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST), hebben zich gericht op pure cellulose, hier in de vorm van cellulose nanokristallen (CNC's). Dit zijn nanostaafjes van kristallijne cellulose van een paar honderd nanometer lang en zo'n 5-10 nanometer breed. Ook vormen CNC's een vloeibaar-kristalfase in water waarbij de staven zich organiseren in een spiraalvormige structuur. CNC's vormen tegenwoordig een van de populairste nanomaterialen, omdat ze duurzaam worden geproduceerd en zowel op zichzelf als in composieten zeer nuttig kunnen zijn. Helaas, hun productiemethoden laten de nanostaafjes erg verspreid in lengte, d.w.z., elke CNC-batch bevat zowel veel lange als veel korte staven.

"In de krant, we have shown that this length dispersity is one of the main reasons for the many problems in processing CNC suspensions and obtaining materials with uniform properties, because long- and short-rod suspensions have very different viscosities and the period of the liquid crystal helix gets shorter the longer the rod. The dispersity of lengths therefore mixes CNCs that would need to be processed on very different time scales, and when they are transferred into solid films that should benefit from the liquid crystalline order, they are broken up into mosaic-like brittle structures because of the competition between short and long rods to organize into long- and short-period helices, respectievelijk, " explains Camila Honorato-Rios.

belangrijk, the authors also provide the solution. Camila Honorato-Rios and Jan Lagerwall show that the phase separation between the liquid crystal phase and an ordinary disordered liquid, spontaneously taking place in CNC suspensions, can be used to fractionate CNC suspensions according to length. By using separatory funnels, a standard component of any chemistry lab, they divide the disperse CNC suspensions into individual fractions, each of which has a much narrower length distribution. This allows them, Voor de eerste keer, to study the behavior of long, medium and short CNCs individually. This way they produce solid films showing uniform and controlled structural color, without the mosaic texture. "Because the technique is easily scalable, this can be a game changer for the industrial exploitation of CNC. Following the fractionation procedure, CNC producers can provide samples with much lower dispersity, allowing customers to use this remarkable new, sustainably produced, nanomaterial in a way that maximizes its performance, " comments Prof. Jan Lagerwall with enthusiasm.