Chemici ontdekken scheuren in het pantser van nanokristallen van cellulose

Chemici in Japan, Canada en Europa hebben gebreken ontdekt in de oppervlaktestructuur van nanokristallen van cellulose – een belangrijke stap in de richting van de deconstructie van cellulose om hernieuwbare nanomaterialen te produceren die relevant zijn voor biochemische producten, energieoplossingen en biobrandstoffen.

De bevindingen – gepubliceerd in Wetenschappelijke vooruitgang-zijn de meest gedetailleerde blik tot nu toe op de oppervlaktechemie en structuur van individuele cellulose nanokristal (CNC) deeltjes.

Het team, geleid door onderzoekers van Kanazawa University, paste driedimensionale atomaire krachtmicroscopie (3D-AFM) en moleculaire dynamica-simulaties toe op individuele CNC-vezels in water. Het scannen met hoge resolutie onthulde nieuwe details van de celluloseketenarrangementen op de CNC-oppervlakken.

“Dit is een essentiële stap op weg naar het begrijpen van de mechanismen van CNC-degradatie, die cruciaal is voor de omzetting van biomassa, met relevantie voor hernieuwbare nanomaterialen en chemische productie”, zegt professor Takeshi Fukuma, directeur van het Nano Life Science Institute aan de Kanazawa University.

Voor het grootste deel vertoonde de structuur van een enkele CNC-vezel honingraat- of zigzagketenarrangementen op kristallijne delen, afgewisseld met ongeordende, niet-kristallijne gebieden met onregelmatige tussenpozen. De onderzoekers ontdekten structurele defecten die verband houden met de niet-kristallijne gebieden van het oppervlak.

“Dit is een geweldig voorbeeld van een internationale samenwerking die is ontwikkeld aan het Nano Life Science Institute aan de Kanazawa University”, zegt professor Mark MacLachlan van de University of British Columbia, Canada Research Chair in Supramoleculaire Materialen en co-auteur van het artikel. “Het is belangrijk om het oppervlak en de defecten in deze natuurlijke structuren te visualiseren om hun toepassingen vooruit te helpen.”

Chemici met het laboratorium van professor MacLachlan bij UBC hielpen bij het bedenken van het experiment en synthetiseerden en zuiverden de cellulose-nanokristallen voor het project. Computationele studies en modellering werden uitgevoerd door een team uit Finland, onder leiding van professor Adam Foster.

De studie modelleerde ook de driedimensionale opstelling van watermoleculen in de buurt van het CNC-oppervlak – wat materiaalwetenschappers aanvullende aanwijzingen zou kunnen bieden over hoe het CNC-oppervlak zou kunnen reageren op moleculaire adsorptie, diffusie en chemische reacties.

Over CNC’s

Cellulose is een taai, vezelig en in water onoplosbaar hernieuwbaar biopolymeer dat levende plantencellen hun structuur geeft. CNC’s zijn het product van het omzetten van een deel van cellulose – de microfibrillen – in bijna perfecte kristallijne structuren. Het resultaat zijn stijve staafachtige deeltjes, ook wel snorharen genoemd. Meestal worden bronnen van cellulose omgezet in CNC’s met behulp van chemicaliën of door mechanische manipulatie.

CNC’s hebben potentiële toepassingen in de immobilisatie van enzymen, de ontwikkeling van antimicrobiële en medische materialen, groene katalyse, bio-sensing en het maken van medicijndragers.

3D atoomkrachtmicroscopie

Conventionele AFM legt beelden vast van het oppervlak van een object. Professor Takeshi Fukuma en zijn collega’s van Kanazawa University hebben een 3D AFM-systeem ontwikkeld dat de kenmerken op het oppervlak van een object ruimtelijk oplost, maar ook op het grensvlak met water door de punt van de microscoop horizontaal en verticaal in de 3D-grensvlakruimte te bewegen.