Este trabajo fue apoyado principalmente por el programa del Instituto de Tecnología de la Crítica y Ciencias Aplicadas (ICTAS) en la Universidad Virginia Tech, el Virginia Tech Escuela del Académico de Doctorado para apoyar el programa de nanotecnología sostenible, así como el Departamento de Agricultura de los Estados Unidos, el número de concesión NIFA 2010-65504-20429. Los autores también agradecen los aportes de Rick Caudill, Stephen McCartney, y W. Travis Iglesia a este trabajo.

1. Nanofibrillated Celulosa Preparación 55 <ol><li> Configuración de un 3 L matraz de tres cuellos con 2 L de agua desionizada, un agitador superior, y sonda de pH. </li><li> Añadir la pulpa deslignificada Kraft, 88% de brillo (20 g, 1% (w / v, base de peso seco)), 2,2,6,6-tetrametilpiperidina 1-oxilo (TEMPO) (0,313 g, 0,1 mmoles / g de celulosa) , y bromuro de sodio (NaBr, 2,0 g, 1 mmol / g de celulosa) en el matraz. <ol><li> Mezclar la fibra de la pasta con el agitador de cabeza hasta que la fibra se dispersa y no hay agregados se puede ver en la reacción. Nota: La dispersión puede ser ayudado mediante la mezcla de la suspensión en agua antes de la adición de la pulpa en el matraz de 3 L. </li></ol></li><li> Iniciar la oxidación por adición lenta de una solución 12% de hipoclorito de sodio (NaClO, 51,4 ml, 5 mmol por g de celulosa) a la mezcla de reacción. Nota: Para la consistencia a lo largo de la reacción, utilizar una bomba de jeringa para entregar el NaClO con una velocidad de inyección de 1,5 ml / min. </li><li> Llene una segunda wi jeringahidróxido º de sodio (NaOH, 0,5 M) y metro manualmente la solución de álcali en el matraz gota a gota para mantener el pH a 10 ± 0,2. </li><li> Monitorear el cambio en el pH con el tiempo y una vez que se oxidan todos los grupos hidroxilo accesibles sobre la celulosa el pH ya no disminuye y la reacción es completa. </li><li> Añadir el exceso de EtOH para consumir restante de NaClO. Aproximadamente 6 ml de prueba 200 EtOH consumirán todos 100 mmol del NaClO originales. </li><li> Filtrar y lavar la fibra oxidada a fondo con agua purificada para eliminar los reactivos hasta que el pH es neutro. Utilice una centrífuga de cesta o algún dispositivo de filtración como un embudo Büchner para recuperar la fibra. Almacenar la fibra a 4 ° C hasta su uso posterior. Nota: En la terminación del experimento, la fibra debe tener un contenido de ácido carboxílico, tal como se determina mediante valoración conductimétrica, entre 1,0 a 1,5 mmol por gramo de fibra. Debe haber poca diferencia en la apariencia de la fibra después de la oxidación TEMPO. </li><li> Crear un 3% (W / V, base de peso seco) de suspensión de la pulpa oxidada de TEMPO y se mezclan en un mezclador Warring hasta que la suspensión se vuelve viscosa y las cuchillas empiecen a girar en el aire debido a la gelificación de la suspensión. Nota: Las concentraciones más bajas no funcionan tan eficazmente para fibrilar la celulosa. <ol><li> Diluir la suspensión mezclada a 0,1% (w / v) y continuar mezclando hasta que la suspensión se vuelve transparente. </li></ol></li></ol> 2. Deposición capa por capa de película para experimentos QCM-D <ol><li> Preparar las siguientes soluciones acuosas y ajustar cada solución con 0,1 M de NaOH a un pH de 10,5: solución tampón acuosa (agua y NaOH); 0.5% (w / v) de solución acuosa de cloruro de polidialildimetilamonio (PDDA); y 0,01% (w / v) de lignina. Ajustar el pH de la suspensión de la NFC 0,1% a 8,0. Nota: El pH para estos experimentos fue elevado, ya que se había demostrado que la lignina se adsorbe en un estado menos agregado en pH alcalino 56. </li><li> Limpioun cristal de cuarzo recubierto de oro tras la recomendación del fabricante de la utilización de una solución Piranha base de [PRECAUCIÓN] (03:01 NH4OH concentrado: H 2 O 2 a 60 ° C) durante 10 min. <ol><li> Enjuague los cristales con agua purificada, secar en una corriente de N 2, e insertar inmediatamente en la célula de flujo de microbalanza de cristal de cuarzo para evitar la contaminación del aire. </li></ol></li><li> Pasar el tampón a través de la celda de flujo para obtener una respuesta de línea de base del cristal resonante expuesta al líquido. <ol><li> Depositar una capa de PDDA sobre el cristal de cuarzo mediante la exposición del cristal de cuarzo a la solución PDDA durante 5 min. </li><li> Después de 5 min cambiar de nuevo a la solución tampón. Nota: Este proceso en el paso 2.3 crea una respuesta única capa donde la cantidad de polímero depositado puede ser determinada sin el efecto de la viscosidad de la solución de polímero. </li><li> Repita la adsorción de otros polímeros en la siguiente secuencia con un tampón de rinseguridad entre cada paso: PDDA (+) (paso 2.3.1); lignina (-); PDDA (+); y NFC (-). Repita los 4x de ciclo para depositar 16 capas totales de polímeros y nanopartículas. </li></ol></li></ol> 3. Deposición capa por capa de película por AFM y Elipsometría Experimentos <ol><li> Pegar un disco circular de la mica a un portaobjetos de microscopio de vidrio usando un adhesivo epoxi rápida. Después el adhesivo se cura, coloque un pedazo de cinta adhesiva en el disco de mica. Pele la cinta de distancia haciendo que la superficie de la mica para escindir. <ol><li> Limpie una oblea de silicio con pirañas ácido [ATENCIÓN] (03:01 H 2 SO 4 H 2 O 2) durante 20 minutos seguido de un enjuague significativo en agua antes de la capa de deposición. </li></ol></li><li> Con las soluciones preparadas en 2.1, sumergir ya sea la mica recién cortado que se une a un portaobjetos de vidrio o una oblea de silicio recién limpiada en cada solución siguiendo la misma secuencia de protocolo descrito en 2.3.3. Nota: Esta técnica creará capas de POlymers sobre cada una de estas superficies que se pueden insertar en el AFM o elipsómetro, respectivamente. </li><li> Imagen de las capas depositadas con un microscopio de fuerza atómica. Utilice el modo de contacto intermitente y voladizos con 10 puntas de silicona radio nm (primavera constante 42 N / m) en la recogida de imágenes de la muestra. Establezca el tamaño de escaneo como 2,5 x 2,5 m, el punto de exploración como 512 y la ganancia integral de 10 para recoger imágenes de muestra específicos. </li><li> Para la medición del espesor de las capas con AFM de las películas LbL secos, use una punta de pipeta de plástico blando y la cicatriz de una línea a través de la superficie de las películas LbL preparado sobre la superficie de la mica. </li><li> Películas fuerte LBL para la medición de elipsometría en obleas de silicio. Mida el espesor de película seca con una fase elipsómetro modulada a una longitud de onda de 632,8 nm, utilizando el ángulo múltiplo de modo incidencia. Varíe los ángulos entre 85 º y 65 º en intervalos de 1 °. </li></ol> 4. Preparación de autoportante LBL Cine <ol><li> Corte un25.4 x 7.6 mm rectángulo de acetato de celulosa (CA) película (DS 2,5), que es de 0,13 mm de espesor y se unen a balancín automatizado. Nota: El acetato de celulosa de 3,0 DS no es soluble en acetona de modo DS 2.5 se prefiere para recuperar las películas en capas. </li><li> Llene cada vaso de precipitados de 500 ml con soluciones de PDDA, lignina, y nanocellulose de acuerdo a la concentración y el pH en el paso 2.1. <ol><li> Llenar tres vasos de precipitados adicionales con tampón acuoso para utilizar como una solución de enjuague para cada ciclo de deposición. </li><li> Programar el brazo de la cuchara de proceder en la misma secuencia como se indica en 2.3.3. Nota: Es importante utilizar una solución de aclarado diferente después de cada solución de polímero respectiva, porque en el proceso de capa por capa, algún polímero que no está fuertemente unido a la superficie se desorber. La contaminación cruzada de las soluciones de enjuague provoca rápidamente la precipitación de complejos de polielectrolitos, que pueden adsorber como &quot;defectos&quot; a la superficie de la película. </li></ol></li><li> Cambie las soluciones en elvaso de precipitados durante 250 ciclos periódicamente a medida que comienzan a aparecer turbia debido a los complejos coloidales. Una opción es automatizar la renovación de la solución mediante el uso de la bomba peristáltica para entregar una solución fresca o tampón de cloruro de polivinilo (PVC) de contenedores a medida con entradas y salidas. Nota: soluciones agitados en los contenedores ayudan a mejorar la difusión de los polielectrolitos a la superficie. </li><li> Recorte con cuidado los bordes de la muestra seca con tijeras exponiendo el borde CA y coloque en un plato de Petri de vidrio cubierto lleno de acetona para disolver el CA. Nota: Las dos películas están aislados después de este experimento de la parte delantera y trasera de la CA. </li><li> Remoje las películas aisladas en acetona durante 24 horas y enjuague películas repetidamente con acetona para maximizar la eliminación de CA residual. </li></ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

Fabricación de nanocellulose Para la fabricación nanocellulose es necesaria la oxidación con éxito de la fibra de la pasta para la fibrilación fácil. La oxidación es controlada por hipoclorito de sodio disponible, que debe añadirse lentamente en cantidades conocidas sobre la base de la cantidad de celulosa. Una de las razones para la oxidación limitada surge desde el almacenamiento de la solución de hipoclorito de sodio durante períodos prolongados. Esta eficiencia de oxidación redu...

Hay un gran interés para obtener productos químicos y combustibles adicionales a partir de biomasa, como el carbono secuestrado por las plantas durante la fotosíntesis es parte del ciclo actual de CO 2. La mayoría de carbono secuestrado (42-44%) es en la forma de celulosa, un polímero compuesto de unidades de glucopiranosa β 1-4-vinculados; cuando se hidroliza, la glucosa se puede utilizar como reactivo primario para la fermentación en combustibles a base de alcohol. Sin embargo, la arquitectura de la pared celular de las plantas leñosas ha evolucionado durante miles de años, creando un material que es resistente a la degradación en el medio ambiente natural 1. Esta estabilidad se traslada a la transformación industrial de los materiales leñosos, tales como los cultivos energéticos que hacen de celulosa de difícil acceso, aislar y desglose en glucosa. Una mirada más cercana a la ultraestructura de la pared celular secundaria revela que es un nanocompuesto de polímero compuesta de microfibrillas de celulosa paracristalina capas incrustadas en una matriz amorfa de la lignina y el dobladilloicelluloses 2-4. Las microfibrillas de celulosa orientadas longitudinalmente tienen un diámetro de aproximadamente 2-5 nm, que se agregan junto con otros hetero-polisacáridos para formar unidades más grandes de los haces de fibrillas 5. Los haces de fibrillas están incrustados en un complejo lignina-hemicelulosa compuesta de un polímero amorfo de unidades fenilpropanol con algunos vínculos con otros hetero-polisacáridos como glucoronoxylan 4. Además, esta estructura se organiza además en capas, o laminillas, a lo largo de la pared celular secundaria lignificada 6-8. Las enzimas, tales como celulasas, tienen un tiempo muy difícil acceder a celulosa dentro de la pared celular tal como se encuentra en su forma de fibrillas y incrustado en lignina. El quid de lo que verdaderamente combustibles de base biológica y plataformas químicas renovables una realidad es el desarrollo de procesos que permitan económicamente la sacarificación de la celulosa en su forma nativa. Las nuevas tecnologías químicas y de imagen están ayudando en la víaudy de los mecanismos implicados en la sacarificación de la celulosa 9,10. Gran parte del trabajo se ha centrado en la formación de imágenes confocal Raman 11 y microscopía de fuerza atómica 12 para estudiar la composición química de la pared celular y la morfología. Ser capaz de seguir de cerca los mecanismos de deslignificación y sacarificación es un paso adelante significativo, impactando la conversión de la celulosa en glucosa. Sacarificación de superficies de celulosa modelo se analizó por medición de las tasas de cinética enzimática con una microbalanza de cristal de cuarzo con monitorización de disipación (QCM-D) 13. Sin embargo, las paredes celulares nativas son muy complejos como se indica anteriormente, y esto crea ambigüedad de cómo los diferentes procesos de conversión de cambiar la estructura de la pared celular vegetal (peso molecular del polímero, enlaces químicos, la porosidad). Modelos autoportantes de las sustancias de la pared celular de composición estructural conocido abordarían esta preocupación y permitir la integración de muestras en química y la imaginación del estado-de-arteequipos ng. Hay una escasez de modelos de pared celular y los pocos disponibles se pueden clasificar como mezclas de materiales poliméricos y celulosa o celulosa bacteriana 14, composites polimerizados enzimática de lignina polisacárido 15-17, o las superficies del modelo 18-21 regenerados. Algunos modelos que comienzan a parecerse a la pared celular son las muestras que contienen precursores o análogos polimerizados enzimáticamente en presencia de celulosa en su forma microfibrilar lignina. Sin embargo, estos materiales sufren de la falta de la arquitectura de capa organizada. Una ruta simple para la creación de materiales nanocompuestos con la arquitectura organizada es el (LBL) técnica de capa por capa de ensamblaje, basado en la adsorción secuencial de polímeros o nanopartículas con cargas complementarias o grupos funcionales para formar películas de material compuesto de varias capas organizadas 22-25. Nanocompuestos híbridos autoportantes de alta resistencia, realizados por LbL deposición de polímero y nanoparticles, han sido reportados por Kotov et al. 26-30. Entre muchas otras aplicaciones, películas LbL también han sido investigados para su uso potencial en el suministro terapéutico 31, las membranas de células de combustible 32,33, baterías 34, y lignocelulósico 35-37 modificación de la superficie de la fibra. Materiales compuestos El reciente interés en celulosa nanoescala basados ​​han conducido a la preparación y caracterización de multicapas LbL de nanocristales de celulosa (CNC) preparados por hidrólisis de ácido sulfúrico de fibras de celulosa, y polielectrolitos cargados positivamente 38-43. Estudios similares también se han llevado a cabo con nanocristales de celulosa obtenidas de tunicina marina y polielectrolitos catiónicos 44, CNC y xiloglucano 45 y CNC y quitosano 46. LbL formación de múltiples capas de celulosas carboxilados nanofibrillated (SNF), obtenidas por homogeneización a alta presión de fibras de pasta con polielectrolitos catiónicos también ha sidoestudiado 47-49. La preparación, propiedades y aplicaciones de los CNC y celulosa nanofibrillated se han revisado en detalle 50-53. El presente estudio consiste en el examen de la técnica LbL como una forma potencial de montar polímeros lignocelulósicos aislados (como nanocellulose y lignina) de forma ordenada como el primer paso hacia un compuesto lignocelulósico biomimético con estructura laminar. La técnica LbL fue seleccionado para sus condiciones de procesamiento benignos tales como, la temperatura ambiente, la presión, y el agua como el disolvente, que son condiciones para la formación de material compuesto natural de 54. En este estudio nos informe sobre la multicapa acumulación de componentes de madera constitutivos, a saber microfibrillas de celulosa a partir de la 1-tetrametilpiperidina oxilo (TEMPO) oxidación mediada de la pulpa y el aislado de lignina en películas laminares exentas. Dos ligninas diferentes se utilizan de diferentes técnicas de extracción, uno de una lignina técnica de la organosolv proceso de fabricación de pasta, y el otro un lignina aislada de un molino de bolas con menos modificaciones durante el aislamiento. Estos compuestos se combinan con un polielectrolito sintético en este estudio inicial para demostrar la viabilidad de la realización de películas exentas estables con arquitectura similar a la pared celular nativo.

<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

Materiales de madera se componen de paredes celulares de las plantas que contienen una pared celular secundaria en capas compuesto por polímeros estructurales de los polisacáridos y la lignina. Se utilizó proceso de ensamblaje capa por capa (LBL) que se basa en el ensamblaje de moléculas de carga opuesta a partir de soluciones acuosas para construir una película de material compuesto autoportante de polímeros de madera aislados de la lignina y la celulosa oxidada nanofibrillas (NFC). Para facilitar el montaje de estos polímeros cargados negativamente, un polielectrolito cargado positivamente, poli (cloruro de diallyldimethylammomium) (PDDA), fue utilizado como una capa de enlace para crear esta pared celular modelo simplificado. El proceso de adsorción en capas se estudió cuantitativamente usando microbalanza de cristal de cuarzo con monitorización de disipación (QCM-D) y elipsometría. Los resultados mostraron que la masa capa / espesor por capa adsorbida aumenta como una función del número total de capas. La cobertura de la superficie de las capas adsorbidas se estudió con microscopía de fuerza atómica (AFM).La cobertura completa de la superficie con la lignina en todos los ciclos de deposición se encontró para el sistema, sin embargo, la cobertura de la superficie por la NFC aumentó con el número de capas. El proceso de adsorción se llevó a cabo durante 250 ciclos (500 bicapas) en un acetato de celulosa (CA) sustrato. Se obtuvieron LBL montado películas de nanocompuestos exentas transparentes cuando el sustrato CA se disolvió luego en acetona. Microscopía electrónica de barrido (SEM) de las secciones transversales fracturados mostró una estructura laminar, y el espesor por ciclo de adsorción (PDDA-lignina-PDDA-NC) se estimó en 17 nm para dos tipos diferentes de lignina utilizados en el estudio. Los datos indican una película con arquitectura altamente controlado donde nanocellulose y lignina se depositan espacialmente en la escala nanométrica (un nanocompuestos de polímero-polímero), similar a lo que se observa en la pared celular nativa.

QCM-D Análisis de Structured Fabrication Woody Película de polímero La adsorción LbL de la lignina, NFC y PDDA se monitorizó en tiempo real con QCM-D en dos experimentos diferentes que implican dos tipos de ligninas. Este método de análisis es muy sensible para detectar cambios en la frecuencia cuando las moléculas se adsorben a la superficie del cristal de cuarzo La Figura 1 contiene una descripción detallada de la respuesta QCM-D en un ciclo de deposición, que impli...

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

El objetivo de esta investigación fue formar tejido de la pared celular vegetal sintético usando asamblea capa por capa de fibrillas nanocellulose y aislada lignina montado a partir de suspensiones acuosas diluidas. Se han usado técnicas de medición de la superficie de la microbalanza de cristal de cuarzo y microscopía de fuerza atómica para monitorizar la formación del material nanocompuesto de polímero-polímero.

Hacia Biomimicking Madera: Fabricada en monobloque películas de nanocellulose, lignina, y una Policatión sintético

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 vistas.  Virginia Tech.  El objetivo de esta investigación fue formar tejido de la pared celular vegetal sintético usando asamblea capa por capa de fibrillas nanocellulose y aislada lignina montado a partir de suspensiones acuosas diluidas. Se han usado técnicas de medición de la superficie de la microbalanza de cristal de cuarzo y microscopía de fuerza atómica para monitorizar la formación del material nanocompuesto de polímero-polímero. 

Video: 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.

Una técnica para funcionalizar y auto-ensamblan macroscópicas nanopartículas ligando monocapa Films en soportes de plantillas gratis

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

Investigación

Química

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.

Plantillas Atómicamente definidos para crecimiento epitaxial de óxido complejo Películas Delgadas

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.

La fabricación de superficies de gran autoportante ultrafinos Polymer Films

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.

A partir de construcciones de Cristales - Hacia la determinación de la estructura de la β-barril proteínas de membrana externas

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.

Altamente estable, funcional Hairy nanopartículas y biopolímeros con fibras de madera: Hacia Nanotecnología Sostenible

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.

Deposición de Vapor reactivo de polímero conjugado películas sobre sustratos de arbitrarias

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.

Terapia génica inspirado POLICATIÓN recubrimiento para protección de nanoestructuras de Origami de ADN

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.

Películas de óxido de niobio depositadas por sputtering reactivo: efecto de la tasa de flujo de oxígeno

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).

Aplicación de tensión dinámica en películas de óxido fino inmovilizadas en una aleación pseudoelástica de níquel y titanio

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.

Diseñado para el reciclaje molecular: un polímero de origen biológico semiaromático derivado de la lignina

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