עבודה זו נתמכה בעיקר על ידי התכנית של הדוקטור המלומד של המכון לקריטי טכנולוגיה ומדע יישומי (ICTAS) באוניברסיטת וירג&#39;יניה טק, בית הספר למוסמכי וירג&#39;יניה טק לתמיכה בתכנית ננוטכנולוגיה בר קיימא, וגם ארצות הברית מחלקת החקלאות, מספר מענק NIFA 2010-65504-20429. המחברים מודים גם את תרומתם של ריק Caudill, סטיבן מקרטני, וכנסיית וו טראביס לעבודה זו.

1. Nanofibrillated תאית הכנת 55 <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> התקנת בקבוק שלושה צוואר 3 L עם 2 ליטר מים deionized, stirrer תקורה, ובדיקת ה-pH. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הוספת עיסת delignified קראפט, בהירות 88% (20 גרם, 1% (w / v, בסיס משקל יבש)), 2,2,6,6-tetramethylpiperidine 1-oxyl (טמפו) (0.313 גרם, 0.1 מילימול / תאית ז) , ורומיד נתרן (NaBr, 2.0 גרם, תאית 1 mmol / g) לבקבוק. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מערבבים את סיבי עיסה עם בוחש תקורה עד שהסיבים מתפזר וניתן לראות לא אגרגטים בתגובה. הערה: פיזור ניתן בעזרת ערבוב התרחיף במים לפני הוספת העיסה לבקבוק 3 ליטר. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ליזום החמצון על ידי הוספת פתרון 12% מhypochlorite נתרן (NaClO, 51.4 מיליליטר, 5 מילימול לגרם של תאית) לתערובת התגובה באיטיות. הערה: לעקביות לאורך כל התגובה, השתמש במשאבת מזרק כדי לספק NaClO עם שיעור הזרקה של 1.5 מיליליטר / דקה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מלא wi מזרק שניהידרוקסיד ה נתרן (NaOH, M 0.5) וידני מטר הפתרון אלקלי לתוך בקבוק טיפה חכמה כדי לשמור את ה-pH ב10 ± 0.2. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לפקח על השינוי בחומציות עם זמן וברגע שכל הקבוצות הידרוקסיל נגישות בתאית הם מתחמצנים pH כבר לא יקטן והתגובה היא מלאה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הוספת EtOH העודף לצרוך נותר NaClO. כ 6 מיליליטר של 200 ההוכחה EtOH יצרוך של NaClO המקורי כל 100 מילימול. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לסנן ולשטוף את הסיבים מחומצן ביסודיות עם מים מטוהרים כדי להסיר את חומרים כימיים עד pH הוא ניטראלי. השתמש צנטריפוגות סל או מכשיר סינון כמו משפך ביכנר לשחזר את הסיבים. אחסן את הסיבים על 4 מעלות צלזיוס עד לשימוש נוסף. הערה: בסיום הניסוי, הסיבים צריכים להיות תכולת חומצות קרבוקסיליות, כפי שנקבע על ידי טיטרציה קונדוקטומטריים, בין 1.0-1.5 מילימול לגרם של סיבים. לא צריך להיות הבדל קטן במראה של הסיבים לאחר חמצון TEMPO. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יצירת תרחיף 3% (w / v, בסיס משקל יבש) של עיסת TEMPO חמצון ותערובת בבלנדר לוחם עד slurry הופך להיות צמיג והלהבים להתחיל מסתובבים באוויר בגלל gelling של ההשעיה. הערה: ריכוזים נמוכים לא עובדים בצורה יעילה לרעוד תאית. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לדלל את התרחיף מעורבב ל0.1% (w / v) ולהמשיך ערבוב עד ההשעיה הופכת שקופה. </li></ol></li></ol> 2. תצהיר סרט שכבה אחר שכבה לניסויים QCM-D <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> הכן התמיסות מימיות הבאות ולהתאים כל פתרון עם 0.1 M NaOH לpH של 10.5: תמיסה מימית חיץ (מים וNaOH); 0.5% (w / v) תמיסה מימית של כלוריד polydiallyldimethylammonium (PDDA); ו0.01% (w / v) ליגנין. התאם את ה-pH של ההשעיה NFC 0.1% ל8.0. הערה: ה-pH לניסויים אלה הייתה גבוהה משום שהוא הראה בעבר ליגנין שadsorbs במצב פחות מצטבר בpH בסיסי 56. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> נקיגביש קוורץ מצופה זהב בעקבות המלצת יצרנים של שימוש בפתרון Piranha בסיס [זהירות] (3:1 מרוכז NH 4 OH: H 2 O 2 ב60 מעלות צלזיוס) במשך 10 דקות. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לשטוף את הגבישים במים מטוהרים, מכה יבשה בזרם של N 2, ולהכניס מייד לזרימת microbalance גביש קוורץ התא, כדי למנוע זיהום מהאוויר. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לעבור את החיץ דרך תא הזרימה להשיג תגובה בסיסית של הגביש המהדהד נחשף לנוזל. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> להפקיד רובד של PDDA על גביש קוורץ על ידי חשיפת גביש קוורץ לפתרון PDDA למשך 5 דקות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> אחרי 5 דקות לחזור לפתרון החיץ. הערה: תהליך בשלב 2.3 זה יוצר תגובת שכבה יחידה שבו כמות הפולימר שהופקד ניתן לקבוע ללא השפעת צמיגות פתרון פולימר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> חזור על ספיחה של פולימרים אחרים ברצף הבא עם r חיץinse בין כל שלב: PDDA (+) (צעד 2.3.1); ליגנין (-); PDDA (+); וNFC (-). חזור על 4x המחזור להפקיד 16 שכבות כוללת של פולימרים וחלקיקים. </li></ol></li></ol> 3. תצהיר סרט שכבה אחר שכבה לניסויים AFM וEllipsometry <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> דבק דיסק מעגלי של נציץ לשקופית מיקרוסקופ זכוכית באמצעות דבק אפוקסי מהיר. לאחר מרפא דבק, לצרף חתיכת הסרט לדיסק נציץ. לקלף את הקלטת משם גורם למשטח נציץ לדבוק. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> יש לנקות את פרוסות סיליקון עם פיראניה חומצה [זהירות] (3:1 H 2 SO 4: H 2 O 2) עבור 20 דקות אחריו שטיפה משמעותית במים לפני השכבה בתצהיר. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> עם פתרונות מוכנים ב2.1, לטבול גם נציץ ביקע טרי שמצורף לשקופית זכוכית או פרוסות סיליקון נוקו לאחרונה בכל פתרון הבא על אותו הרצף של פרוטוקול שתואר ב2.3.3. הערה: טכניקה זו תיצור שכבות של פוlymers על כל אחד ממשטחים אלה שיכולים להיות מוכנסים לתוך AFM או ellipsometer, בהתאמה. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> תמונה שהופקדו שכבות עם מיקרוסקופ כוח אטומי. השתמש במצב הקשר לסירוגין וזיזים עם 10 טיפים ננומטר סיליקון הרדיוס (אביב קבוע 42 N / מ &#39;) בעת איסוף תמונות של המדגם. גודל סריקה קבע כ2.5 x 2.5 מיקרומטר, הצבע סריקה כ512 ורווח נפרד מ10 לאסוף תמונות לדוגמא ספציפיות. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> למדידת עובי השכבות עם AFM של סרטי LbL המיובשים, השתמש קצה פיפטה פלסטיק רך וצלקת קו על פני השטח של סרטי LbL מוכנים על המשטח נציץ. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> סרטי LBL הפקדה למדידת ellipsometry על גבי פרוסות סיליקון. מדוד את עובי סרט היבש עם ellipsometer מווסתת שלב באורך גל של 632.8 ננומטר באמצעות הזווית השונה של מצב פגיע. להשתנות הזוויות בין 85 ° ו65 מעלות ב1 ° מרווחים. </li></ol> 4. הכנת חופשית עומד LBL קולנוע <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> Cut25.4 מלבן x 7.6 מ&quot;מ של צלולוזה אצטט (CA) סרט (DS 2.5) שהוא 0.13 מ&quot;מ עובי ולצרף זרוע מצקת אוטומטית. הערה: אצטט תאית של DS 3.0 אינו מסיס באצטון כך DS 2.5 עדיף לשחזר את הסרטים שכבתיים. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ממלא כל כוס 500 מיליליטר עם פתרונות של PDDA, ליגנין, וnanocellulose פי ריכוז ו-pH בשלב 2.1. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> מלא שלוש כוסות נוספות עם חיץ מימי לשימוש כפתרון שטיפה לכל מחזור בתצהיר. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לתכנת את זרוע המצקת כדי להמשיך באותו רצף כפי שדווח ב2.3.3. הערה: חשוב להשתמש בפתרון שטיפה שונה לאחר כל פתרון פולימר המתאים כי בתהליך שכבה אחר שכבה, כמה פולימר שאינו קשור בחוזקה אל פני השטח יהיה desorb. זיהום לחצות של פתרונות השטיפה גורם במהירות משקעים של קומפלקסי polyelectrolyte, שיכול לספוג כמו &quot;מומים&quot; על פני השטח סרט. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> שנה את הפתרונות בכוס במהלך 250 מחזורים מעת לעת כפי שהם מתחילים להופיע מעונן בגלל קומפלקסי colloidal. אפשרות היא להפוך את חידוש הפתרון באמצעות משאבת peristaltic כדי לספק פתרון טרי או חיץ למחוייט מכולות של פלסטיק (PVC) עם פתחי הכניסה ושקעים. הערה: פתרונות נסערים במכולות יסייעו לשפר את הדיפוזיה של polyelectrolytes אל פני השטח. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> לקצץ בזהירות את הקצוות של המדגם היבש עם מספריים חושפים את קצה CA ומקום לתוך צלחת פטרי זכוכית מכוסות מלאים באצטון כדי לפזר את CA. הערה: שני סרטים מבודדים לאחר ניסוי זה מהחזית והישבן של CA. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> משרים סרטים מבודדים באצטון ל24 שעות ולשטוף סרטים שוב ושוב עם אצטון למקסם את הסרת CA שיורית. </li></ol>

יש המחברים אין לחשוף.

המצאה של Nanocellulose עבור ייצור nanocellulose החמצון המוצלח של סיבי העיסה הוא הכרחי לפרפור קליל. החמצון נשלט על ידי hypochlorite נתרן זמין, אשר יש להוסיף לאט לאט בכמויות ידועות מבוססות על הכמות של תאית. אחת סיבות לחמצון מוגבל נובעת מהאחסון של תמיסת ...

יש עניין רב להפקת כימיקלים ודלקים נוספים מביומסה, כמו פחמן מוחרם על ידי צמחים בתהליך הפוטוסינתזה הוא חלק מCO 2 המחזור הנוכחי. רוב פחמן מוחרם (42-44%) הוא בצורה של תאית, פולימר המורכב מיחידות β glucopyranose 1-4 צמודות; כאשר הידרוליזה, גלוקוז יכול לשמש כמגיב העיקרי לתסיסה לדלקים מבוססות אלכוהול. עם זאת, תא קיר ארכיטקטורה של צמחים עציים התפתחה במשך אלף שנים ביצירת חומר שהוא עמיד בפני פירוק בסביבה הטבעית 1. יציבות זו הנושאת מעל לעיבוד התעשייתי של חומרים עציים, כגון גידולי אנרגיה שהופך תאית קשה לגישה, לבודד, והתפלגות לגלוקוז. מבט מקרוב על ultrastructure של דופן התא המשנית מגלה כי הוא nanocomposite פולימר מורכב מmicrofibrils תאית paracrystalline שכבתי משובץ במטריצה ​​אמורפית של ליגנין ומכפלתicelluloses 2-4. יש לי microfibrils תאית בכיוון ציר האורך בקוטר של כ 2-5 ננומטר, המצטבר יחד עם הטרו סוכרים אחרים כדי ליצור יחידות גדולות יותר של חבילות ליפון 5. חבילות יפון מוטבעות במתחם ליגנין-hemicellulose המורכב מפולימר אמורפי יחידות phenylpropanol עם כמה קשרים להטרו סוכרים אחרים כמו glucoronoxylan 4. יתר על כן, מבנה זה מאורגן יותר לתוך שכבות, או lamellae, לאורך דופן התא המשנית lignified 6-8. אנזימים, כמו cellulases, יש לי זמן קשה מאוד גישה תאית בתוך דופן התא כפי שהוא נמצא בצורה סיבית שלה ומשובץ בליגנין. עיקר באמת מה שהופך את הדלקים biobased ופלטפורמות כימיות מתחדשות מציאות הוא לפתח תהליכים שייאפשרו מבחינה כלכלית saccharification של תאית בצורה המקורית שלו. טכנולוגיות כימיות והדמיה חדשות סיוע בstג&#39;ודי של המנגנונים המעורבים בsaccharification של 9,10 תאית. יש הרבה עבודה מרוכזת על confocal הדמיה ראמאן 11 ומיקרוסקופ כוח אטומי 12 ללמוד את ההרכב הכימי של דופן תא ומורפולוגיה. היכולת לעקוב מקרוב מנגנוני delignification וsaccharification היא צעד משמעותי קדימה, משפיעה על המרה של תאית לגלוקוז. Saccharification של משטחים תאית מודל נותח על ידי מדידת שיעורים הקינטית אנזים עם microbalance גביש קוורץ עם ניטור פיזור (QCM-D) 13. עם זאת, קירות תא ילידי ארץ הם מורכבים ביותר כפי שצוין לעיל, וזה יוצר עמימות של כמה תהליכי המרה שונים לשנות את המבנה של דופן תא צמח (משקל מולקולרי פולימר, קשרים כימיים, נקבוביות). מודלים שעמדו חופשי של דופן תא חומרים עם הרכב מבני ידוע היינו לענות על חשש זה ולאפשר את שילובם של דגימות לתוך כימי וImagi מדינה-of-אמנותציוד ng. יש מחסור של דופן תא דגמים וניתן לסווג כמה זמין כתערובות של חומרים פולימריים ומחדש תאית או תאית חיידקים 14, מרוכבים enzymatically polymerized ליגנין-פוליסכריד 15-17, או משטחי מודל 18-21. חלק מהדגמים המתחילים להידמות דופן התא הם דוגמאות המכילות מבשרים או אנלוגים polymerized אנזימים בנוכחות תאית בצורת microfibrillar ליגנין. עם זאת, חומרים אלה סובלים מהמחסור בארכיטקטורת שכבה מאורגנת. מסלול פשוט ליצירה של חומרי nanocomposite עם ארכיטקטורה מאורגנת הוא (LbL) טכניקת ההרכבה שכבה אחר שכבה, המבוססת על ספיחה רציפה של פולימרים או חלקיקים עם מטענים משלימים או קבוצות פונקציונליות ליצירת סרטים מורכבים רב שכבתיים מאורגנים 22-25. nanocomposites חופשי עומדים ההיברידי של חוזק גבוה, שנעשה על ידי בתצהיר LbL של פולימר ונהnoparticles, דווח על ידי קוטוב ואח&#39;. 26-30. בין יישומים רבים אחרים, סרטי LbL גם נחקרו לשימוש הפוטנציאל שלהם במשלוח טיפולי ביום 31 ב, קרום תא דלק 32,33, סוללות 34, ו35-37 שינוי פני השטח סיבי lignocellulosic. חומרים מרוכבים על בסיס הריבית האחרונה בתאית ננו הובילו להכנה והאפיון של multilayers LbL של nanocrystals תאית (CNC) שהוכן על ידי הידרוליזה חומצה גופרתית של סיבים תאית, וpolyelectrolytes מטען החשמלי החיובי 38-43. מחקרים דומים שנערכו גם עם nanocrystals תאית המתקבל מtunicin הימי וpolyelectrolytes קטיוני 44, CNC ו45 xyloglucan, וCNC ו chitosan 46. גם היווצרות רב שכבתית LbL של carboxylated celluloses nanofibrillated (NFCs), מתקבל על ידי המגון בלחץ גבוה של סיבי עיסה עם polyelectrolytes קטיוני כברלמד 47-49. ההכנה, המאפיינים והיישום של CNCs והתאי nanofibrillated נבדקו בפירוט 50-53. המחקר הנוכחי כולל בדיקה של טכניקת LbL כדרך פוטנציאל להרכיב פולימרים מבודדים lignocellulosic (כגון nanocellulose וליגנין) באופנת הורה כצעד הראשון לקראת מרוכבים lignocellulosic biomimetic עם מבנה שבשבת. טכניקת LbL נבחרה לתנאיו השפירים עיבוד כגון, טמפרטורת סביבה, לחץ, ומים כממסים, שהם תנאים להיווצרות מרוכבים טבעי 54. במחקר זה אנו מדווחים על ההצטברות רב שכבתית של רכיבי עץ מכוננים, כלומר microfibrils תאית מtetramethylpiperidine 1-oxyl חמצון בתיווך של עיסה וליגנין המבודד לסרטים שבשבת שעמד חופשיים (טמפו). שתי lignins שונה משמשים משיטות מיצוי שונות, ליגנין טכני אחד מorganosolv מעיכת תהליך, והשני ליגנין מבודד מכדור טחינה עם פחות שינוי בבידוד. תרכובות אלה בשילוב עם polyelectrolyte סינטטי במחקר ראשוני זה כדי להוכיח את ההיתכנות של עשיית סרטים חופשי עומדים יציבים עם ארכיטקטורה דומה לקיר תא הילידים.

<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

חומרים וודי מורכבים מקירות תא צמח המכילים דופן תא משנית שכבתית מורכבת מפולימרים מבניים של סוכרים וליגנין. תהליך ההרכבה שכבה אחר שכבה (LbL) אשר מסתמך על ההרכבה של מולקולות טעונות הפוך מתמיסות מימיות שימש לבניית סרט מורכב בודד של פולימרים עץ מבודדים של ליגנין ותאי nanofibril חמצון (NFC). כדי להקל על ההרכבה של פולימרים טעונים שלילי אלה, polyelectrolyte מטען חשמלי חיובי, פולי (כלוריד diallyldimethylammomium) (PDDA), היה בשימוש כשכבת המקשרת ליצירת קיר תא זה פשוט מודל. תהליך ספיחה שכבתי נחקר כמותית באמצעות microbalance גביש קוורץ עם ניטור פיזור (QCM-D) וellipsometry. התוצאות הראו כי מסת שכבה / עובי כל שכבת adsorbed גדל כפונקציה של מספר הכולל של שכבות. הכיסוי של שכבות adsorbed המשטח נחקר עם מיקרוסקופ כוח אטומי (AFM).כיסוי מלא של פני השטח עם ליגנין בכל המחזורים בתצהיר נמצא עבור המערכת, לעומת זאת, כיסוי פני השטח על ידי NFC גדל עם מספר השכבות. תהליך ספיחה בוצע עבור 250 מחזורים (500 bilayers) על אצטט תאית מצע (CA). סרטים שעמדו חופשיים שקופים LBL התאסף nanocomposite התקבלו כאשר מצע CA מאוחר יותר מומס באצטון. במיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) של החתכים שבורים הראה מבנה טבלית, והעובי כל מחזור ספיחה (PDDA-ליגנין-PDDA-NC) היה מוערך להיות 17 ננומטר לשני סוגי ליגנין שונים המשמשים במחקר. הנתונים מצביעים על סרט עם ארכיטקטורה מבוקרת מאוד בי nanocellulose וליגנין מופקדים מרחבית בקנה המידה ננומטרי (nanocomposites פולימר פולימר), בדומה למה שנצפה בקיר תא הילידים.

QCM-D ניתוח של ייצור וודי פולימרי סרטים מובנה ספיחת LbL של ליגנין, NFC וPDDA היה פיקוח בזמן אמת עם QCM-D בשני ניסויים שונים מעורבים שני סוגים של lignins. שיטת ניתוח זה היא מאוד רגיש כדי לזהות שינויים בתדירות כאשר מולקולות לספוג אל פני השטח של גבי?...

Watch this Scientific Journal Video about Towards Biomimicking Wood: Fabricated Free-standing Films of Nanocellulose, Lignin, and a Synthetic Polycation at JoVE.com

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

מטרתו של מחקר זה הייתה כדי ליצור דופן תא רקמות צמח סינטטי באמצעות הרכבה של סיבי nanocellulose ושכבה אחר שכבת ליגנין המבודד מורכב מתרחיפים מימיים לדלל. טכניקות מדידת פני השטח של microbalance גביש קוורץ ומיקרוסקופ כוח אטומי שימשו כדי לפקח על היווצרותו של חומר nanocomposite פולימר פולימר.

לקראת Biomimicking עץ: סרטים מפוברק חופשי עומדים בNanocellulose, ליגנין, וPolycation סינטטי

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 Views.  Virginia Tech.  מטרתו של מחקר זה הייתה כדי ליצור דופן תא רקמות צמח סינטטי באמצעות הרכבה של סיבי nanocellulose ושכבה אחר שכבת ליגנין המבודד מורכב מתרחיפים מימיים לדלל. טכניקות מדידת פני השטח של microbalance גביש קוורץ ומיקרוסקופ כוח אטומי שימשו כדי לפקח על היווצרותו ש?...

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.

טכניקה לfunctionalize ועצמי להרכיב מקרוסקופית Nanoparticle ליגנד חד שכבתי סרטים על גבי מצעים נטולי תבנית

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

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.

תבניות מוגדרות אטומי לEpitaxial צמיחה של תחמוצת המורכבת 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.

המצאה של שטח גדול שעמדה חופשית Ultrathin פולימריים סרטים

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.

מתוך בונה קריסטלים - לקראת מבנה קביעת β-חבית החיצון ממברנה חלבונים

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.

מאוד יציבים, חלקיקים שעירים פונקציונליים Biopolymers סיבי עץ: לקראת ננוטכנולוגיה קיימא

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.

בתצהיר אדים תגובתי של סרט פולימרי מצומדת על מצעים שרירותי

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.

ריפוי גנטי בהשראת Polycation ציפוי הגנה על ה-DNA אוריגמי Nanostructures

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.

ניאוביום אוקסיד סרטים שהופקדו על ידי התזה ראקטיבית: השפעת קצב זרימת החמצן

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).

החלת זן דינמי על סרטי תחמוצת דק משותק על סגסוגת ניקל-טיטניום פסאודואלסטית

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.

מיועד למיחזור מולקולרי: פולימר ביו-ביבסי חצי ארומטי שמקורו ב-ליגנין

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