Onderzoekers ontdekken mechanismen om nanokristallen van cellulose gemakkelijk te drogen en opnieuw te dispergeren

Cellulose nanokristallen – biogebaseerde nanomaterialen die zijn afgeleid van natuurlijke hulpbronnen zoals plantaardige cellulose – zijn waardevol voor hun gebruik in waterbehandeling, verpakking, tissue engineering, elektronica, antibacteriële coatings en nog veel meer. Hoewel de materialen een duurzaam alternatief bieden voor niet-biogebaseerde materialen, belast het vervoer ervan in vloeibare vorm industriële infrastructuren en leidt het tot milieueffecten.

Een team van onderzoekers op het gebied van chemische technologie van Penn State bestudeerde de mechanismen van het drogen van de nanokristallen en stelde nanotechnologie voor om de nanokristallen zeer herdispergeerbaar te maken in waterige media, terwijl ze hun volledige functionaliteit behouden, zodat ze gemakkelijker kunnen worden opgeslagen en vervoerd. Ze publiceerden hun resultaten in het tijdschrift Biomacromoleculen.

“We hebben gekeken hoe we harige nanokristallen konden nemen, ze in ovens konden drogen en ze opnieuw konden dispergeren in oplossingen die verschillende ionen bevatten”, zegt co-eerste auteur Breanna Huntington, huidige doctoraatsstudent chemische technologie aan de Universiteit van Delaware en voormalig lid van de Sheikhi Research Group terwijl een niet-gegradueerde student aan Penn State. “Vervolgens hebben we hun functionaliteit vergeleken met conventionele, niet-harige nanokristallen van cellulose.”

De nanokristallen hebben aan hun uiteinden negatief geladen celluloseketens, ook wel haren genoemd. Wanneer ze opnieuw worden gehydrateerd, stoten de haren elkaar af en gaan ze uit elkaar, en verspreiden ze zich weer door een vloeistof, als gevolg van elektrosterische afstoting – een term die ladingsgestuurd of elektrostatisch en vrij-volume-afhankelijk of sterisch betekent.

“De harige uiteinden van de nanokristallen zijn nano-engineering om negatief geladen te zijn en elkaar af te stoten wanneer ze in een waterig medium worden geplaatst”, zegt corresponderende auteur Amir Sheikhi, Penn State assistent-professor chemische technologie en biomedische technologie. “Om maximale functie te hebben, moeten de nanokristallen afzonderlijke, individuele deeltjes zijn, niet aan elkaar geketend zoals ze zijn wanneer ze droog zijn.”

Nadat de harige deeltjes opnieuw waren verspreid, testten onderzoekers ze en maten ze hun grootte en oppervlakte-eigenschappen en ontdekten dat hun kenmerken en prestaties dezelfde waren als die die nooit waren gedroogd. Ze ontdekten ook dat de deeltjes goed konden presteren en hun stabiliteit konden behouden in een verscheidenheid aan vloeibare mengsels met verschillende zoutgehalten en pH-waarden.

“De harige nanokristallen kunnen opnieuw worden verspreid, zelfs bij hoge zoutconcentraties, wat handig is, omdat ze functioneel blijven in agressieve media en kunnen worden gebruikt in een breed scala aan toepassingen”, zegt co-eerste auteur Mica Pitcher, promovendus scheikunde aan Penn State. , begeleid door Sheikhi. “Dit werk kan de weg vrijmaken voor duurzame en grootschalige verwerking van nanocellulose zonder gebruik te maken van additieve of energie-intensieve methoden.”