Diese Arbeit wurde in erster Linie durch das Programm des Instituts für Kritische Technik und Angewandte Informatik (ICTAS) an der Virginia Tech, der Virginia Tech Graduate School des Promotions Scholar für die Unterstützung der nachhaltigen Nanotechnologie-Programm unterstützt, und auch das United States Department of Agriculture, NIFA Gewährungsnummer 2010-65504-20429. Die Autoren bedanken sich auch die Beiträge von Rick Caudill, Stephen McCartney, und W. Travis Kirche zu dieser Arbeit.

1. Nanofibrillated Cellulose Vorbereitung 55 <ol><li> Einrichten eines 3-l-Dreihalskolben mit 2 l entionisiertem Wasser, einem Rührwerk und einer pH-Sonde. </li><li> In delignifizierten Kraftzellstoff, 88% Helligkeit (20 g, 1% (w / v, Trockengewicht)), 2,2,6,6-Tetramethyl 1-oxyl (TEMPO) (0.313 g, 0,1 mmol / g Cellulose) und Natriumbromid (NaBr, 2,0 g, 1 mmol / g Cellulose) in den Kolben. <ol><li> Mischen die Fasermasse mit dem Rührwerk, bis die Faser dispergiert und keine Aggregate können in der Reaktion zu sehen. Hinweis: Die Dispersion kann durch Mischen der Aufschlämmung in Wasser vor der Zugabe des Zellstoffs in den 3 l-Kolben unterstützt werden. </li></ol></li><li> Initiieren der Oxidation durch langsame Zugabe einer 12% igen Lösung von Natriumhypochlorit (NaClO, 51,4 ml, 5 mmol pro g Cellulose) zu dem Reaktionsgemisch. Hinweis: Für die Konsistenz der gesamten Reaktion, verwenden Sie eine Spritzenpumpe, die NaClO mit einer Injektionsgeschwindigkeit von 1,5 ml / min liefern. </li><li> Füllen Sie eine zweite Spritze with Natriumhydroxid (NaOH, 0,5 M) und manuell Messer der Alkalilösung in den Kolben tropfenweise zu der pH-Wert bei 10 ± 0,2 zu halten. </li><li> Überwachung des pH-Änderung mit der Zeit und wenn alle zugänglichen Hydroxylgruppen der Cellulose oxidiert werden der pH-Wert nicht mehr zu verringern und die Reaktion abgeschlossen ist. </li><li> In Über EtOH zu konsumieren restlichen NaClO. Etwa 6 ml EtOH 200 Proof wird alle 100 mmol des ursprünglichen NaClO konsumieren. </li><li> Filter und wäscht die oxidierte Faser gründlich mit gereinigtem Wasser, um die Reagenzien zu entfernen, bis der pH-Wert neutral. Verwenden Sie einen Korb Zentrifuge oder eine Filtervorrichtung wie einem Büchner-Trichter, um die Faser zu erholen. Speichern die Faser bei 4 ° C bis zur weiteren Verwendung. Anmerkung: Bei der Beendigung des Experiments sollte der Faser eine Carbonsäuregehalt, wie durch konduktometrische Titration bestimmt, zwischen 1,0 bis 1,5 mmol pro Gramm Faser. Es sollte wenig Unterschied im Aussehen der Faser nach dem TEMPO-Oxidation. </li><li> Erstellen Sie eine 3% (w / v, Trockengewicht) Aufschlämmung des TEMPO oxidiert Zellstoff und Mischung in einem Warring Mixer, bis der Brei wird zähflüssig und die Blätter zu drehen beginnen in der Luft wegen Gelieren der Suspension. Hinweis: Niedrigere Konzentrationen nicht so effektiv arbeiten, um die Cellulose flimmern. <ol><li> Verdünne die gemischte Aufschlämmung auf 0,1% (w / v) und weiter das Mischen bis Suspension wird transparent. </li></ol></li></ol> 2. Schicht-für-Schicht-Film Deposition für QCM-D-Experimente <ol><li> Bereiten Sie die folgenden wässrigen Lösungen und Einstellen jeder Lösung mit 0,1 M NaOH auf einen pH von 10,5: wässrige Pufferlösung (Wasser und NaOH); 0,5% (w / v) wässrigen Lösung von Polydiallyldimethylammoniumchlorid (PDDA); und 0,01% (w / v) Lignin. Den pH-Wert der Suspension 0,1% bis 8,0 NFC. Hinweis: Der pH-Wert für diese Experimente wurde erhöht, weil sie bereits gezeigt, dass Lignin adsorbiert in einer weniger aggregierten Zustand in alkalischen pH-56. </li><li> Reinigeneine mit Gold beschichtete Quarz folgenden Herstellern Empfehlung unter Verwendung einer Base Piranha-Lösung [VORSICHT] (3:1 konzentriertem NH 4 OH: H 2 O 2 bei 60 ° C) für 10 min. <ol><li> Spülen Sie die Kristalle mit gereinigtem Wasser, trocken blasen in einem Strom von N 2, und sofort in die Quarzmikrowaage Durchflusszelle einfügen, um Verunreinigungen aus der Luft zu vermeiden. </li></ol></li><li> Passieren den Puffer durch die Strömungszelle, um eine Grundantwort der Resonanzkristall der Flüssigkeit ausgesetzt zu erhalten. <ol><li> Abscheidung einer Schicht aus PDDA auf den Quarzkristall durch Aussetzen des Quarzkristall zum PDDA-Lösung für 5 min. </li><li> Nach 5 min wechseln Sie wieder in die Pufferlösung. Hinweis: dieser Prozess in Schritt 2.3 wird eine einzelne Schicht Reaktion, wo die Menge an Polymer abgeschieden werden können, ohne den Effekt der Viskosität der Polymerlösung bestimmt werden. </li><li> Wiederholen der Adsorption von anderen Polymeren in der folgenden Reihenfolge mit einer Puffer rUnsicher zwischen jedem Schritt: PDDA (+) (Schritt 2.3.1); Lignin (-); PDDA (+); und NFC (-). Wiederholen Sie die Zyklus 4x 16 Gesamt Schichten von Polymeren und Nanopartikeln zu hinterlegen. </li></ol></li></ol> 3. Schicht-für-Schicht-Film Deposition für AFM und Ellipsometrie Experimente <ol><li> Kleben Sie eine kreisförmige Scheibe von Glimmer auf einen Glasobjektträger mit einem Schnell Epoxy-Kleber. Nachdem der Klebstoff aushärtet, bringen ein Stück Klebeband an der Scheibe Glimmer. Ziehen Sie das Band entfernt wodurch die Glimmer-Oberfläche zu spalten. <ol><li> Reinigen eines Siliziumwafers mit Säure Piranha [VORSICHT] (3:1 H 2 SO 4: H 2 O 2) für 20 min, gefolgt von Spülen in Wasser signifikant vor der Abscheidung der Schicht. </li></ol></li><li> Lösungen in 2.1 hergestellt, tauchen sowohl das frisch gespaltenen Glimmer, die auf einen Objektträger oder eine frisch gereinigte Siliziumwafers in jeder Lösung nach der gleichen Sequenz von Protokoll in 2.3.3 beschrieben angebracht ist. Hinweis: Diese Technik wird Schichten po erstellenlymers auf jeder dieser Flächen, die in das AFM oder Ellipsometer bzw. eingefügt werden können. </li><li> Bild die abgeschiedenen Schichten mit einem Rasterkraftmikroskop. Verwenden Sie den Wackelkontakt Modus und Ausleger mit 10 nm Radius Siliziumspitzen (Federkonstante 42 N / m) bei der Erhebung Bilder der Probe. Stellen Sie als Scan-Größe 2,5 x 2,5 um, Scan-Punkt als 512 und Integralverstärkung von 10 auf spezifische Beispielbilder zu sammeln. </li><li> Für Dickenmessung der Schichten mit AFM der getrockneten LbL-Filmen mit einem weichen Kunststoffpipettenspitze und Narbe eine Linie über die Oberfläche der präparierten LbL Filme auf der Glimmeroberfläche. </li><li> Kaution LBL Filme für Ellipsometriemessung auf Silizium-Wafern. Messung der Schichtdicke mit einem phasenmodulierten Ellipsometer bei einer Wellenlänge von 632,8 nm mit den mehreren Einfallswinkeln Modus. Variieren die Winkel zwischen 85 ° und 65 ° in 1 °-Schritten. </li></ol> 4. Vorbereitung der Freistehende LBL Film <ol><li> Cut ein25,4 x 7,6 mm Rechteck aus Celluloseacetat (CA) Film (DS 2,5), die 0,13 mm dick und heften sich an automatisierten Löffelstiel ist. Hinweis: Celluloseacetat DS 3.0 ist in Aceton nicht löslich, so DS 2,5 wird bevorzugt, die Schichtfilmen erholen. </li><li> In jede 500 ml-Becherglas mit Lösungen PDDA, Lignin und Nanocellulose nach Konzentration und pH-Wert in Schritt 2.1. <ol><li> Füllen Sie drei weitere Becher mit wässrigen Puffer als Spüllösung für jeden Abscheidungszyklus zu verwenden. </li><li> Programmieren Sie den Stiel in derselben Reihenfolge vor wie in 2.3.3 berichtet. Hinweis: Es ist wichtig, eine andere Spüllösung nach jeder entsprechenden Polymerlösung zu verwenden, weil in der Schicht-für-Schicht-Verfahren, einige Polymer, das nicht fest an die Oberfläche gebunden werden desorbieren. Kreuzkontamination der Spüllösungen schnell verursacht Ausfällung von Polyelektrolyt-Komplexe, die als &quot;Fehler&quot; an der Filmoberfläche adsorbieren kann. </li></ol></li><li> Ändern Sie die Lösungen in dieBecherglas bei 250 Zyklen regelmäßig, wie sie wegen der kolloidalen Komplexe erscheinen bewölkt beginnen. Eine Option ist, um die Erneuerung der Lösung unter Verwendung peristaltische Pumpe an die frische Lösung zu liefern oder Puffer auf Polyvinylchlorid (PVC) Behälter mit Maß-und Ausgänge zu automatisieren. Hinweis: Bewegte Lösungen in den Behältern zur Verbesserung der Diffusion der Polyelektrolyte auf die Oberfläche. </li><li> Die Ränder der getrockneten Probe vorsichtig mit der Schere schneiden Aussetzen der CA Rand und in einen überdachten Glaspetrischale mit Aceton, um den CA auflösen gefüllt. Anmerkung: Zwei Folien werden nach diesem Versuch von der Vorderseite und Rückseite des CA isoliert. </li><li> Einweichen in Aceton isoliert Filme für 24 h und spülen Filme mehrmals mit Aceton, um das Entfernen von Rest CA maximieren. </li></ol>

Die Autoren haben nichts zu offenbaren.

Die Herstellung von Nanocellulose Für die erfolgreiche Herstellung Nanocellulose Oxidation der Zellstofffaser ist für einfache Flimmern erforderlich. Oxidation von verfügbaren Natriumhypochlorit, die langsam in bekannten Mengen zugegeben werden sollte, basierend auf der Menge des Cellulose gesteuert. Ein Grund für die begrenzte Oxidation entsteht durch die Lagerung der Natriumhypochlorit-Lösung über längere Zeiträume. Diese reduzierte Oxidationseffizienz während der Reaktion angemerkt ...

Es besteht großes Interesse an zusätzlichen Chemikalien und Kraftstoffe aus Biomasse stammen, wie Kohlenstoff während der Photosynthese von Pflanzen abgesondert ist Teil der aktuellen CO 2-Kreislauf. Die Mehrheit der abgesonderten Kohlenstoff (42-44%) in Form von Cellulose, einem Polymer von β 1-4-verknüpften Glucopyranose-Einheiten zusammengesetzt ist; Wenn hydrolysiert wird, kann Glucose als Hauptreaktionspartner für die Fermentation in Alkohol basierenden Kraftstoffen verwendet werden. Allerdings hat Zellwandarchitektur von Gehölzen seit Jahrtausenden die Schaffung eines Materials, das resistent gegen den Abbau in der Natur 1 entwickelt. Diese Stabilität führt über in die industrielle Verarbeitung von Holzwerkstoffe wie Energiepflanzen Herstellung von Cellulose schwer zugänglich sind, zu isolieren und Abbau in Glukose. Ein genauerer Blick auf die Ultrastruktur der sekundären Zellwand zeigt, dass es sich um eine Polymer-Nanocomposite von Schichtparakristalline Cellulose-Mikrofibrillen in einer amorphen Matrix aus Lignin und Saum eingebettet isticelluloses 2-4. Die in Längsrichtung orientierten Cellulosemikrofasern mit einem Durchmesser von ungefähr 2-5 nm, die zusammen mit weiteren Hetero Polysaccharide aggregiert werden, um größere Einheiten Fibrillenbündel 5 zu bilden. Die Fibrillenbündel in einem Hemicellulose Lignin-Komplex aus einem amorphen Polymer von Phenylpropanol Einheiten mit einigen Verbindungen zu anderen Hetero-Polysaccharide wie glucoronoxylan 4 zusammen eingebettet. Darüber hinaus ist diese Struktur weiter in Schichten oder Lamellen organisiert, während der Sekundärzellwand verholzten 6-8. Enzyme, wie Cellulasen, haben eine sehr schwierige Zeit Zugriff auf Cellulose in der Zellwand, wie es in seiner Form gefunden und Fibrillen in Lignin eingebettet. Der springende Punkt wirklich machen biobasierten Kraftstoffen und erneuerbaren chemischen Plattformen eine Realität ist, die Prozesse, die wirtschaftlich ermöglichen die Verzuckerung von Cellulose in seiner nativen Form zu entwickeln. Neue Chemie-und Imaging-Technologien werden in der st Unterstützungudy der Mechanismen in der Verzuckerung von Cellulose 9,10 beteiligt. Viel Arbeit wurde auf Raman konfokale Abbildung 11 und 12 Atomkraftmikroskopie, um die Zellwand der chemischen Zusammensetzung und Morphologie untersuchen zentriert. In der Lage, genau zu verfolgen Mechanismen der Delignifizierung und Verzuckerung ist ein bedeutender Schritt nach vorn, beeinflussen die Umwandlung von Cellulose in Glucose. Verzuckerung von Cellulose-Oberflächen-Modell wurde durch Messung der Enzym kinetische Raten mit einer Quarzmikrowaage mit Verlustüberwachung (QCM-D) 13 analysiert. Allerdings sind native Zellwände hochkomplexe wie oben angegeben, und das schafft Unklarheit, wie verschiedene Umwandlungsprozesse verändern die Struktur der Pflanzenzellwand (Polymermolekulargewicht, chemische Bindungen, Porosität). Freistehende Modelle der Zellwandsubstanzen mit bekannten strukturellen Zusammensetzung würde dieses Anliegen ansprechen und ermöglichen die Integration von Proben in state-of-art chemischen und Phantasieng Ausrüstung. Es gibt einen Mangel an Zellwand-Modelle und die wenigen verfügbaren Mischungen von Polymer-Materialien kategorisiert und regenerierte Cellulose oder Bakteriencellulose 14, enzymatisch polymerisierten Lignin-Polysaccharid-Verbundwerkstoffe 15-17, 18-21 oder Modelloberflächen werden. Einige Modelle, die die Zellwand zu ähneln sind die Proben, die Lignin-Vorstufen oder Analoga enzymatisch in Gegenwart von Cellulose in seine mikrofibrillaren Form polymerisiert enthalten. Diese Materialien leiden unter dem Mangel der organisierten Schichtarchitektur. Ein einfacher Weg zur Schaffung von Nanoverbundmaterialien mit organisierten Architektur ist die Schicht-für-Schicht-(LbL)-Montagetechnik, bezogen auf die sequentielle Adsorption von Polymeren oder Nanopartikel mit komplementären Ladungen bzw. funktionelle Gruppen organisiert mehrschichtige Verbundfolien 22-25 bilden. Freistehende Hybrid-Nanokomposite von hoher Festigkeit, durch LbL Abscheidung von Polymer und na gemachtnoparticles, wurden von Kotov et al. 26-30 berichtet. Unter vielen anderen Anwendungen haben LbL-Filmen auch für ihre mögliche Verwendung in therapeutischen Liefer 31. Brennstoffzellenmembranen 32,33, Batterien 34 und Lignocellulose-Faseroberflächenmodifizierung 35-37 untersucht. Das aktuelle Interesse an nanoskaligen Cellulose-Basis Verbundwerkstoffe haben sich auf die Herstellung und Charakterisierung von LbL Multischichten aus Cellulose-Nanokristallen (CNC) durch Schwefelsäure Hydrolyse von Cellulosefasern, und positiv geladene Polyelektrolyte 38-43 vorbereitet führte. Ähnliche Studien wurden auch mit Cellulose-Nanokristalle aus marinen Tunicin und kationische Polyelektrolyte 44, CNC-und Xyloglukan 45 erhalten, und CNC-und Chitosan 46 durchgeführt. LbL Mehrschichtbildung von carboxylierten nanofibrillated Cellulosen (NFCs), durch Hochdruck-Homogenisierung der Zellstofffasern mit kationischen Polyelektrolyten erhalten wurde auchstudierte 47-49. Die Herstellung, Eigenschaften und Anwendung von CNC-Steuerungen und nanofibrillated Zellulose im Detail 50-53 bewertet. Die vorliegende Studie umfasst die Prüfung der LbL Technik als mögliche Weise zu isolierten Lignocellulose Polymere (wie Nanocellulose und Lignin) in einer geordneten Art und Weise wie der erste Schritt in Richtung eines biomimetischen Lignocellulose-Verbundwerkstoff mit Lamellenstruktur zu montieren. Die LbL-Technik wurde für die gutartigen Verarbeitungsbedingungen, wie Umgebungstemperatur, Druck und Wasser als Lösungsmittel, die Voraussetzungen für eine natürliche Verbundbildung 54 ausgewählt. In dieser Studie beschreiben wir die Mehrschichtaufbau von konstitutiven Holzbestandteile, nämlich Zellulose-Mikrofibrillen von der tetramethylpiperidin-1-oxyl (TEMPO)-vermittelte Oxidation von Zellstoff und isolierte Lignin in freistehende Lamellenfolien. Zwei verschiedene Lignine aus unterschiedlichen Extraktionstechniken verwendet, der eine ein technisches Lignin aus der organosolv Aufschlussverfahren und von Kugelmahlen der andere ein Lignin getrennt mit weniger Änderung während der Isolierung. Diese Verbindungen werden mit einem synthetischen Polyelektrolyten in dieser anfänglichen Studie, um die Machbarkeit der Herstellung von stabilen freistehenden Filmen mit Architektur ähnlich der nativen Zellwand zeigen, kombiniert.

<table border="0" cellpadding="0" cellspacing="0" width="699">
	<tbody>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">sulfate pulp</td>
			<td style="width:108px;">Weyerhaeuser&#160;</td>
			<td style="width:119px;">donated</td>
			<td style="width:215px;">brightness level of 88%</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">organosolv lignin</td>
			<td style="width:108px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">371017</td>
			<td>discontinued</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:257px;">hardwood milled wood lignin</td>
			<td style="width:108px;">see reference in paper</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">polydiallyldimethylammonium chloride&#160;</td>
			<td style="width:108px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">409022</td>
			<td style="width:215px;">Mn = 7.2&#215;10^4, Mw=2.4&#215;10^5</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;">2,2,6,6-Tetramethylpiperidine 1-oxyl (TEMPO)&#160;</td>
			<td style="width:108px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">214000</td>
			<td>catalytic oxidation of primary alcohols to aldehydes with a purity of 98%, molecular weight is 156.25g/mol</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">sodium bromide</td>
			<td style="width:108px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">S4547</td>
			<td>purity &#8805;99.0%, molecular weight 102.89</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">sodium hypochlorite</td>
			<td style="width:108px;">Sigma Aldrich</td>
			<td style="width:119px;">425044</td>
			<td>reagent grade, available chlorine 10~15%, molecular weight 74.44g/mol</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">sodium hydroxide</td>
			<td style="width:108px;">VWR</td>
			<td style="width:119px;">BDH7221-4</td>
			<td>0.5N aqueous solution, density 1.02g/ml, molecular weight 40 g/mol</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">sodium hydroxide</td>
			<td style="width:108px;">Acros Organics</td>
			<td style="width:119px;">AC12419-0010</td>
			<td>0.1N aquesous solution, specific gravity 1.0 g/ml, molecular weight 40 g/mol</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">ammonium hydroxide</td>
			<td style="width:108px;">Acros Organics</td>
			<td style="width:119px;">AC39003-0025</td>
			<td>25% solution in water, pH 13.6, density 0.89, molecular weight 35.04 g/mol</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">hydrogen peroxide</td>
			<td style="width:108px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">H325-100</td>
			<td>30.0~32.0% certified ACS, pH 3.3, density 1.11</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">Mica sheets</td>
			<td style="width:108px;">TED Pella</td>
			<td style="width:119px;">NC9655733</td>
			<td>Pelco, grade V5, 10&#215;40mm, 23mm T, minimum air and bubbles, very clean</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">sulfuric acid</td>
			<td style="width:108px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">A300-212</td>
			<td>95.0~98.0 w/w%, certified ACS plus, molecular weight 98.08 g/mol</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">cellulose acetate</td>
			<td style="width:108px;">McMaster Carr</td>
			<td style="width:119px;">8564K44</td>
			<td>degree of substitution 2.5</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:257px;">ethanol</td>
			<td style="width:108px;">Decon Laboratories</td>
			<td style="width:119px;">04-355-223</td>
			<td>200 proof (100%), USP</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">acetone</td>
			<td style="width:108px;">Fisher Scientific</td>
			<td style="width:119px;">A18-4</td>
			<td>purity &#8805;99.5%, certified ACS reagent grade, density 0.79 g/ml, molecular weight 58.08 g/mol</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:257px;">syringy pump</td>
			<td style="width:108px;">Harvard Apparatus</td>
			<td style="width:119px;">552226</td>
			<td>pump 22 infusion/withdraw with standard syringe holder, flow rate 0.002 ul/h~55.1ml/min</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">Mill-Q water purification system</td>
			<td style="width:108px;">EMD Millipore</td>
			<td style="width:119px;">D3-UV</td>
			<td>Direct-Q, UV, water conductivity 18.5 M&#937; cm with 20 liter reservair</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">pH meter</td>
			<td style="width:108px;">Mettler Toledo</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td style="width:215px;">SeverMulti</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">balance</td>
			<td style="width:108px;">Mettler Toledo</td>
			<td style="width:119px;">AB135-S</td>
			<td>accuracy 0.1mg</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:257px;">atomic force microscope</td>
			<td style="width:108px;">Asylum Research</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>MFP-3D, Olympic fluorescent microscope stage</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:257px;">ellipsometer</td>
			<td style="width:108px;">Beaglehole Instruments</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">fiber centrifuge</td>
			<td style="width:108px;">unknown</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>basket style centrifuge</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">Warring blender</td>
			<td style="width:108px;">Warring</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Commercial</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">ultrasonic processor</td>
			<td style="width:108px;">Sonics</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td>Sonics 750W, sound enclosure</td>
		</tr>
		<tr height="42">
			<td height="42" style="height:42px;width:257px;">Quartz crystal microbalance with dissipation monitoring (QCM-D)</td>
			<td style="width:108px;">Q-Sense Inc.&#160;</td>
			<td style="width:119px;">E4</td>
			<td>measure fundamental frequency of 5MHz, and monitor odd number overtones/harmonics from 3~13, use gold-coated piezoelectric quartz crystals</td>
		</tr>
		<tr height="21">
			<td height="21" style="height:21px;width:257px;">automatted dipper arm</td>
			<td style="width:108px;">Lynxmotion</td>
			<td style="width:119px;"></td>
			<td></td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

towards biomimicking wood: fabricated free-standing films of nanocellulose, lignin, and a synthetic polycation

Holzwerkstoffe werden aus Pflanzenzellwänden, die eine geschichtete sekundären Zellwandpolymere von struktureller Polysaccharide und Lignin enthalten, besteht. Schicht-für-Schicht-(LbL)-Montageverfahren, die auf der Anordnung von entgegengesetzt geladenen Molekülen aus wässrigen Lösungen angewiesen wurde verwendet, um eine freistehende Verbundfolie isoliert Holz Polymere von oxidiertem Lignin und Cellulose-Nanofibrillen (NFC) aufzubauen. Um die Montage dieser negativ geladenen Polymeren zu erleichtern, ein positiv geladener Polyelektrolyt Poly (diallyldimethylammomium Chlorid) (PDDA) wurde als Bindeschicht, um dieses vereinfachte Modell Zellwand angelegt. Der Schicht Adsorptionsverfahren wurde quantitativ mit Quarzmikrowaage mit Verlustüberwachung (QCM-D) und Ellipsometrie untersucht. Die Ergebnisse zeigten, dass die Massenschicht / Dicke pro adsorbierten Schicht erhöht als eine Funktion der Gesamtzahl der Schichten. Die Flächendeckung der adsorbierten Schichten wurde mit der Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht.Vollständige Bedeckung der Oberfläche mit Lignin in allen Abscheidungszyklen wurde das System jedoch gefunden, Oberflächenbelegung durch NFC stieg mit der Anzahl der Schichten. Die Adsorption wurde für 250 Zyklen (500 Doppelschichten) auf einem Celluloseacetat (CA)-Substrat durchgeführt. Transparente freistehende LBL montiert Nanokompositfilme wurden erhalten, wenn die CA-Substrat wurde später in Aceton gelöst. Rasterelektronenmikroskopie (SEM) der gebrochenen Querschnitte zeigten eine Lamellenstruktur und die Dicke pro Adsorptionszyklus (PDDA-Lignin-PDDA-NC) wurde auf 17 nm für die beiden in der Studie verwendeten verschiedenen Lignin-Typen sein. Die Daten zeigen einen Film mit stark kontrollierten Architektur, bei der Nanocellulose und Lignin sind räumlich auf der Nanoskala (ein Polymer-Polymer-Nanoverbundwerkstoffe), ähnlich wie in der nativen Zellwand beobachtet abgeschieden.

QCM-D-Analyse von strukturierten Woody Polymer Film Fabrication Die LbL Adsorption von Lignin, NFC und PDDA wurde in Echtzeit mit QCM-D in zwei verschiedenen Experimenten mit zwei Arten von Ligninen überwacht. Dieses Analyseverfahren ist sehr empfindlich auf Änderungen in der Frequenz zu erfassen, wenn Moleküle adsorbieren an der Oberfläche des Quarzkristalls Fig. 1 enthält eine detaillierte Beschreibung der QCM-D-Antwort in einem Abscheidungszyklus, der zwei Doppelschicht...

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Towards Biomimicking Wood: Fabricated Free-standing Films of Nanocellulose, Lignin, and a Synthetic Polycation

Das Ziel dieser Untersuchung war es, synthetische Pflanzenzellwandgewebe bilden mit Schicht-für-Schicht-Aufbau Nanocellulose-Fibrillen und isolierte Lignin aus verdünnten wässrigen Suspensionen zusammengebaut. Oberflächenmesstechniken der Quarzkristall-Mikrowaage und Rasterkraftmikroskopie wurden verwendet, um die Bildung der Polymer-Polymer-Nanoverbundmaterial zu überwachen.

Gegen biomimetischen Holz: Hergestellt Freistehende Filme aus Nanocellulose, Lignin und eines synthetischen Polykation

Woody materials are comprised of plant cell walls that contain a layered secondary cell wall composed of structural polymers of polysaccharides and ...

towards-biomimicking-wood-fabricated-free-standing-films

Research

JoVE Journal

Chemistry

16.4K Aufrufe.  Virginia Tech.  Das Ziel dieser Untersuchung war es, synthetische Pflanzenzellwandgewebe bilden mit Schicht-für-Schicht-Aufbau Nanocellulose-Fibrillen und isolierte Lignin aus verdünnten wässrigen Suspensionen zusammengebaut. Oberflächenmesstechniken der Quarzkristall-Mikrowaage und Rasterkraftmikroskopie wurden verwendet, um die Bildung der Polymer-Polymer-Nanoverbundmaterial zu überwachen. 

Serie: Towards Biomimicking Wood: Fabricated Free-standing Films of Nanocellulose, Lignin, and a Synthetic Polycation

A Technique to Functionalize and Self-assemble Macroscopic Nanoparticle-ligand Monolayer Films onto Template-free Substrates

This protocol describes a self-assembly technique to create macroscopic monolayer films composed of ligand-coated nanoparticles1,2. The simple, robust and scalable technique efficiently functionalizes metallic nanoparticles with thiol-ligands in a miscible water/organic solvent mixture allowing for rapid grafting of thiol groups onto the gold nanoparticle surface. The hydrophobic ligands on the nanoparticles then quickly phase separate the nanoparticles from the aqueous based suspension and confine them to the air-fluid interface. This drives the ligand-capped nanoparticles to form monolayer domains at the air-fluid interface.&#160; The use of water-miscible organic solvents is important as it enables the transport of the nanoparticles from the interface onto template-free substrates.&#160; The flow is mediated by a surface tension gradient3,4 and creates macroscopic, high-density, monolayer nanoparticle-ligand films.&#160; This self-assembly technique may be generalized to include the use of particles of different compositions, size, and shape and may lead to an efficient assembly method to produce low-cost, macroscopic, high-density, monolayer nanoparticle films for wide-spread applications.

A simple, robust and scalable technique to functionalize and self-assemble macroscopic nanoparticle-ligand monolayer films onto template-free substrates is described in this protocol.

Eine Technik, um auf Vorlage freie Substrate zu funktionalisieren und Selbstorganisation makroskopische Nanopartikel-Liganden-Monolayer Films

This protocol describes a self-assembly technique to create macroscopic monolayer films composed of ligand-coated nanoparticles1,2. The simple, robust and ...

Forschung

Chemie

Atomically Defined Templates for Epitaxial Growth of Complex Oxide Thin Films

Atomically defined substrate surfaces are prerequisite for the epitaxial growth of complex oxide thin films. In this protocol, two approaches to obtain such surfaces are described. The first approach is the preparation of single terminated perovskite SrTiO3 (001) and DyScO3 (110) substrates. Wet etching was used to selectively remove one of the two possible surface terminations, while an annealing step was used to increase the smoothness of the surface. The resulting single terminated surfaces allow for the heteroepitaxial growth of perovskite oxide thin films with high crystalline quality and well-defined interfaces between substrate and film. In the second approach, seed layers for epitaxial film growth on arbitrary substrates were created by Langmuir-Blodgett (LB) deposition of nanosheets. As model system Ca2Nb3O10- nanosheets were used, prepared by delamination of their layered parent compound HCa2Nb3O10. A key advantage of creating seed layers with nanosheets is that relatively expensive and size-limited single crystalline substrates can be replaced by virtually any substrate material.

Various procedures are outlined to prepare atomically defined templates for epitaxial growth of complex oxide thin films. Chemical treatments of single crystalline SrTiO3 (001) and DyScO3 (110) substrates were performed to obtain atomically smooth, single terminated surfaces. Ca2 Nb3 O10- nanosheets were used to create atomically defined templates on arbitrary substrates.

Atomar definierte Vorlagen Epitaxieausrüstung komplexer Oxide Thin Films

Atomically defined substrate surfaces are prerequisite for the epitaxial growth of complex oxide thin films. In this protocol, two approaches to obtain ...

Fabrication of Large-area Free-standing Ultrathin Polymer Films

This procedure describes a method for the fabrication of large-area and ultrathin free-standing polymer films. Typically, ultrathin films are prepared using either sacrificial layers, which may damage the film or affect its mechanical properties, or they are made on freshly cleaved mica, a substrate that is difficult to scale. Further, the size of ultrathin film is typically limited to a few square millimeters. In this method, we modify a surface with a polyelectrolyte that alters the strength of adhesion between polymer and deposition substrate. The polyelectrolyte can be shown to remain on the wafer using spectroscopy, and a treated wafer can be used to produce multiple films, indicating that at best minimal amounts of the polyelectrolyte are added to the film. The process has thus far been shown to be limited in scalability only by the size of the coating equipment, and is expected to be readily scalable to industrial processes. In this study, the protocol for making the solutions, preparing the deposition surface, and producing the films is described.

We describe a method for the fabrication of large-area (up to 13 cm diameter) and ultrathin (as thin as 8 nm) polymer films. Instead of using a sacrificial interlayer to delaminate the film from its substrate, we use a self-limiting surface treatment suitable for arbitrarily large areas.

Herstellung von großflächigen Freistehende ultradünne Polymerfilme

This procedure describes a method for the fabrication of large-area and ultrathin free-standing polymer films.  Typically, ultrathin films are prepared ...

From Constructs to Crystals &#8211; Towards Structure Determination of &#946;-barrel Outer Membrane Proteins

Membrane proteins serve important functions in cells such as nutrient transport, motility, signaling, survival and virulence, yet constitute only ~1% percent of known structures. There are two types of membrane proteins, &#945;-helical and &#946;-barrel. While &#945;-helical membrane proteins can be found in nearly all cellular membranes, &#946;-barrel membrane proteins can only be found in the outer membranes of mitochondria, chloroplasts, and Gram-negative bacteria. One common bottleneck in structural studies of membrane proteins in general is getting enough pure sample for analysis. In hopes of assisting those interested in solving the structure of their favorite &#946;-barrel outer membrane protein (OMP), general protocols are presented for the production of target &#946;-barrel OMPs at levels useful for structure determination by either X-ray crystallography and/or NMR spectroscopy. Here, we outline construct design for both native expression and for expression into inclusion bodies, purification using an affinity tag, and crystallization using detergent screening, bicelle, and lipidic cubic phase techniques. These protocols have been tested and found to work for most OMPs from Gram-negative bacteria; however, there are some targets, particularly for mitochondria and chloroplasts that may require other methods for expression and purification. As such, the methods here should be applicable for most projects that involve OMPs from Gram-negative bacteria, yet the expression levels and amount of purified sample will vary depending on the target OMP.

From Constructs to Crystals &amp;#8211; Towards Structure Determination of &amp;#946;-barrel Outer Membrane Proteins

&#946;-barrel outer membrane proteins (OMPs) serve many functions within the outer membranes of Gram-negative bacteria, mitochondria, and chloroplasts. Here, we hope to alleviate a known bottleneck in structural studies by presenting protocols for the production of &#946;-barrel OMPs in sufficient quantities for structure determination by X-ray crystallography or NMR spectroscopy.

Von Konstrukten Crystals - Auf dem Weg zu Strukturbestimmung von β-Fass-Außenmembranproteine

Membrane proteins serve important functions in cells such as nutrient transport, motility, signaling, survival and virulence, yet constitute only ~1% ...

Highly Stable, Functional Hairy Nanoparticles and Biopolymers from Wood Fibers: Towards Sustainable Nanotechnology

Nanoparticles, as one of the key materials in nanotechnology and nanomedicine, have gained significant importance during the past decade. While metal-based nanoparticles are associated with synthetic and environmental hassles, cellulose introduces a green, sustainable alternative for nanoparticle synthesis. Here, we present the chemical synthesis and separation procedures to produce new classes of hairy nanoparticles (bearing both amorphous and crystalline regions) and biopolymers based on wood fibers. Through periodate oxidation of soft wood pulp, the glucose ring of cellulose is opened at the C2-C3 bond to form 2,3-dialdehyde groups. Further heating of the partially oxidized fibers (e.g., T = 80 &#176;C) results in three products, namely fibrous oxidized cellulose, sterically stabilized nanocrystalline cellulose (SNCC), and dissolved dialdehyde modified cellulose (DAMC), which are well separated by intermittent centrifugation and co-solvent addition. The partially oxidized fibers (without heating) were used as a highly reactive intermediate to react with chlorite for converting almost all aldehyde to carboxyl groups. Co-solvent precipitation and centrifugation resulted in electrosterically stabilized nanocrystalline cellulose (ENCC) and dicarboxylated cellulose (DCC). The aldehyde content of SNCC and consequently surface charge of ENCC (carboxyl content) were precisely controlled by controlling the periodate oxidation reaction time, resulting in highly stable nanoparticles bearing more than 7 mmol functional groups per gram of nanoparticles (e.g., as compared to conventional NCC bearing &#60;&#60; 1 mmol functional group/g). Atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM), and scanning electron microscopy (SEM) attested to the rod-like morphology. Conductometric titration, Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), nuclear magnetic resonance (NMR), dynamic light scattering (DLS), electrokinetic-sonic-amplitude (ESA) and acoustic attenuation spectroscopy shed light on the superior properties of these nanomaterials.

Synthesis schemes to prepare highly stable wood fiber-based hairy nanoparticles and functional cellulose-based biopolymers have been detailed.

Hochstabile, funktionelle Hairy Nanopartikel und Biopolymere aus Holzfasern für eine nachhaltige Nanotechnologie

Nanoparticles, as one of the key materials in nanotechnology and nanomedicine, have gained significant importance during the past decade. While ...

Reactive Vapor Deposition of Conjugated Polymer Films on Arbitrary Substrates

We demonstrate a method of conformally coating conjugated polymers on arbitrary substrates using a custom-designed, low-pressure reaction chamber. Conductive polymers, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) and poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT), and a semiconducting polymer, poly(thieno[3,2-b]thiophene) (PTT), were deposited on unconventional highly-disordered and textured substrates with high surface areas, such as paper, towels and fabrics. This reported deposition chamber is an improvement of previous vapor reactors because our system can accommodate both volatile and nonvolatile monomers, such as 3,4-propylenedioxythiophene and thieno[3,2-b]thiophene. Utilization of both solid and liquid oxidants are also demonstrated. One limitation of this method is that it lacks sophisticated in situ thickness monitors. Polymer coatings made by the commonly used solution-based coating methods, such as spin-coating and surface grafting, are often not uniform or susceptible to mechanical degradation. This reported vapor phase deposition method overcomes those drawbacks and is a strong alternative to common solution-based coating methods. Notably, polymer films coated by the reported method are uniform and conformal on rough surfaces, even at a micrometer scale. This feature allows for future application of vapor deposited polymers in electronics devices on flexible and highly textured substrates.

This paper presents a protocol for reactive vapor deposition of poly(3,4-ethylenedioxythiophene), poly(3,4-propylenedioxythiophene), and poly(thieno[3,2-b]thiophene) films on glass slides and rough substrates, such as textiles and paper.

Reaktiven Aufdampfen von konjugierten Polymerfilmen auf beliebigen Substraten

We demonstrate a method of conformally coating conjugated polymers on arbitrary substrates using a custom-designed, low-pressure reaction chamber. ...

Gene-therapy Inspired Polycation Coating for Protection of DNA Origami Nanostructures

DNA origami nanostructures hold an immense potential to be used for biological and medical applications. However, low-salt conditions and nucleases in physiological fluids induce denaturation and degradation of self-assembled DNA nanostructures. In non-viral gene delivery, enzymatic degradation of DNA is overcome by the encapsulation of the negatively charged DNA in a cationic shell. Herein, inspired by gene delivery advancements, a simple, one-step and robust methodology is presented for the stabilization of DNA origami nanostructures by coating them with chitosan and linear polyethyleneimine. The polycation coating efficiently protects DNA origami nanostructures in Mg-depleted and nuclease-rich media. This method also preserves the full addressability of enzyme- and aptamer-based functionalization of DNA nanostructures.

Here, a protocol for the protection of DNA origami nanostructures in Mg-depleted and nuclease-rich media using natural cationic polysaccharide chitosan and synthetic linear polyethyleneimine (LPEI) coatings is presented.

Gentherapie inspiriert Polykation Beschichtung zum Schutz der DNA Origami Nanostrukturen

DNA origami nanostructures hold an immense potential to be used for biological and medical applications. However, low-salt conditions and nucleases in ...

Niobium Oxide Films Deposited by Reactive Sputtering: Effect of Oxygen Flow Rate

Reactive sputtering is a versatile technique used to form compact films with excellent homogeneity. In addition, it allows easy control over deposition parameters such as gas flow rate that results in changes on composition and thus in the film required properties. In this report, reactive sputtering is used to deposit niobium oxide films. A niobium target is used as metal source and different oxygen flow rates to deposit niobium oxide films. The oxygen flow rate was changed from 3 to 10 sccm. The films deposited under low oxygen flow rates show higher electrical conductivity and provide better perovskite solar cells when used as electron transport layer.

Here, we present a protocol for niobium oxide films deposition by reactive sputtering with different oxygen flow rates for use as an electron transport layer in perovskite solar cells.

Nioboxid-Filme, die durch reaktives Sputtern abgelagert werden: Wirkung des Sauerstoffdurchflusses

Reactive sputtering is a versatile technique used to form compact films with excellent homogeneity. In addition, it allows easy control over deposition ...

Applying Dynamic Strain on Thin Oxide Films Immobilized on a Pseudoelastic Nickel-Titanium Alloy

Direct alteration of material structure/function through strain is a growing area of research that has allowed for novel properties of materials to emerge. Tuning material structure can be achieved by controlling an external force imposed on materials and inducing stress-strain responses (i.e., applying dynamic strain). Electroactive thin films are typically deposited on shape or volume tunable elastic substrates, where mechanical loading (i.e., compression or tension) can affect film structure and function through imposed strain. Here, we summarize methods for straining n-type doped titanium dioxide (TiO2) films prepared by a thermal treatment of a pseudo-elastic nickel-titanium alloy (Nitinol). The main purpose of the described methods is to study how strain affects electrocatalytic activities of metal oxide, specifically hydrogen evolution and oxygen evolution reactions. The same system can be adapted to study the effect of strain more broadly. Strain engineering can be applied for optimization of a material function, as well as for design of adjustable, multifunctional (photo)electrocatalytic materials under external stress control.

Dynamic, tensile strain is applied on TiO2 thin films to study the effects of strain on electrocatalysis, specifically proton reduction and water oxidation. TiO2 films are prepared by thermal treatment of the pseudo-elastic NiTi alloy (Nitinol).

Anwendung dynamischer Dehnung auf Dünnoxidfolien immobilisiert auf einer pseudoelastischen Nickel-Titan-Legierung

Direct alteration of material structure/function through strain is a growing area of research that has allowed for novel properties of materials to ...

Designed for Molecular Recycling: A Lignin-Derived Semi-aromatic Biobased Polymer

The development of chemically recyclable biopolymers offers opportunities within the pursuit of a circular economy. Chemically recyclable biopolymers make a positive effort to solve the issue of polymer materials in the disposal phase after the use phase. In this paper, the production of biobased semi-aromatic polyesters, which can be extracted entirely from biomass such as lignin, is described and visualized. The polymer poly-S described in this paper has thermal properties similar to certain commonly used plastics, such as PET. We developed a Green Knoevenagel reaction, which can efficiently produce monomers from aromatic aldehydes and malonic acid. This reaction has been proven to be scalable and has a remarkably low calculated E-factor. These polyesters with ligno-phytochemicals as a starting point show an efficient molecular recycling with minimal losses. The polyester poly(dihydrosinapinic acid) (poly-S) is presented as an example of these semi-aromatic polyesters, and the polymerization, depolymerization, and re-polymerization are described.

An example of a closed-loop approach towards a circular materials economy is described here. A whole sustainable cycle is presented where biobased semi-aromatic polyesters are designed by polymerization, depolymerization, and then re-polymerized with only slight changes in their yields or final properties.

Entwickelt für molekulares Recycling: Ein aus Lignin gewonnenes halbaromatisches biobasiertes Polymer

The development of chemically recyclable biopolymers offers opportunities within the pursuit of a circular economy. Chemically recyclable biopolymers make ...