Questo lavoro è stato sostenuto principalmente dal programma del Dottorato Scholar dell&#39;Istituto per la Tecnologia Critica e Scienze Applicate (ICTAS) al Virginia Tech, il Virginia Tech Graduate School per sostenere il programma di nanotecnologia sostenibile, e anche il Dipartimento dell&#39;Agricoltura degli Stati Uniti, NIFA codice di autorizzazione 2010-65504-20429. Gli autori ringraziano anche i contributi di Rick Caudill, Stephen McCartney, e W. Travis Chiesa a questo lavoro.

1. Nanofibrillated Cellulosa Preparazione 55 <ol><li> Imposta pallone a tre colli da 3 L con 2 L di acqua deionizzata, un agitatore, e sonda pH. </li><li> Aggiungere polpa delignified kraft, luminosità 88% (20 g, 1% (w / v, base anidra)), 2,2,6,6-tetrametilpiperidina 1-oxyl (TEMPO) (0,313 g, 0,1 mmol / g di cellulosa) , e bromuro di sodio (NaBr, 2,0 g, 1 mmol / g di cellulosa) al pallone. <ol><li> Mescolare la polpa di fibra con la agitatore fino a quando la fibra viene disperso e non aggregati può essere visto nella reazione. Nota: La dispersione può essere aiutata mescolando l&#39;impasto in acqua prima di aggiungere la polpa al pallone 3 L. </li></ol></li><li> Avviare l&#39;ossidazione aggiungendo lentamente una soluzione al 12% di ipoclorito di sodio (NaClO, 51,4 ml, 5 mmol per g di cellulosa) alla miscela di reazione. Nota: Per coerenza tutta la reazione, utilizzare una pompa a siringa per fornire la NaClO con una velocità di iniezione di 1,5 ml / min. </li><li> Riempire una seconda siringa wiidrossido th sodio (NaOH 0,5 M) e metro manualmente la soluzione alcalina nel pallone goccia a goccia per mantenere il pH a 10 ± 0,2. </li><li> Monitorare le variazioni di pH nel tempo e una volta che tutti i gruppi ossidrilici accessibili sul cellulosa sono ossidati il ​​pH sarà più diminuisce e la reazione è completa. </li><li> Aggiungi eccesso EtOH a consumare restante NaClO. Circa 6 ml su 200 prova EtOH consumeranno tutti e 100 mmol dell&#39;originale NaClO. </li><li> Filtrare e lavare la fibra ossidato con acqua purificata per rimuovere i reagenti fino a pH neutro. Utilizzare una centrifuga carrello oppure qualche dispositivo di filtrazione come un imbuto Büchner per recuperare la fibra. Conservare la fibra a 4 ° C fino all&#39;utilizzo. Nota: Al termine dell&#39;esperimento, la fibra deve avere un contenuto di acido carbossilico, come determinato mediante titolazione conduttimetrica, tra 1,0 a 1,5 mmol per grammo di fibra. Ci dovrebbe essere poca differenza di aspetto della fibra dopo l&#39;ossidazione TEMPO. </li><li> Creare un 3% (w / v, base anidra) slurry della polpa TEMPO ossidato e si fondono in un frullatore fino Warring slurry diventa viscoso e le lame ruotano in aria a causa della gelificazione della sospensione. Nota: Le concentrazioni inferiori non funzionano nel modo più efficace alla fibrillazione la cellulosa. <ol><li> Diluire il liquame miscelato al 0,1% (w / v) e continuare la miscelazione fino sospensione diventa trasparente. </li></ol></li></ol> 2. Layer-by-layer Deposizione Film per QCM-D Esperimenti <ol><li> Preparare le seguenti soluzioni acquose e regolare ciascuna soluzione con NaOH 0,1 M fino a pH 10,5: soluzione tampone acquosa (acqua e NaOH); 0,5% (w / v) soluzione acquosa di cloruro di polidiallildimetilammonio (PDDA); e 0,01% (w / v) lignina. Aggiustare il pH della sospensione NFC 0,1% a 8,0. Nota: Il pH di questi esperimenti è stata elevata perché è stato precedentemente dimostrato che la lignina assorbe in uno stato meno aggregato in alcalino pH 56. </li><li> Cleanun cristallo di quarzo oro rivestite seguente fabbricanti raccomandazione di utilizzare una soluzione Piranha di base [ATTENZIONE] (3:1 concentrata NH 4 OH: H 2 O 2 a 60 ° C) per 10 min. <ol><li> Risciacquare i cristalli con acqua purificata, asciugare in un flusso di N 2, e inserire immediatamente nella cella di flusso microbilancia al quarzo per evitare contaminazioni dall&#39;aria. </li></ol></li><li> Passare il tampone attraverso la cella di flusso per ottenere una risposta basale del cristallo risonante esposto al liquido. <ol><li> Depositare uno strato di PDDA sul cristallo di quarzo esponendo il cristallo di quarzo alla soluzione PDDA per 5 min. </li><li> Dopo 5 min Tornare alla soluzione tampone. Nota: Questo processo nel passaggio 2.3 crea una singola risposta strato in cui la quantità di polimero depositato può essere determinata senza l&#39;effetto della viscosità della soluzione polimerica. </li><li> Ripetere l&#39;adsorbimento di altri polimeri nella seguente sequenza con un buffer rinsi tra un passo: PDDA (+) (fase 2.3.1); lignina (-); PDDA (+); e NFC (-). Ripetere i 4x ciclo di depositare 16 livelli totali di polimeri e nanoparticelle. </li></ol></li></ol> 3. Layer-by-layer Deposizione Film per AFM e ellissometria esperimenti <ol><li> Colla un disco circolare di mica di un vetrino per microscopio utilizzando un adesivo epossidico rapido. Dopo le cure adesivo, fissare un pezzo di nastro al disco mica. Sbucciare il nastro di distanza provocando la superficie mica a fendere. <ol><li> Pulire un wafer di silicio con Piranha acido [ATTENZIONE] (3:1 H 2 SO 4: H 2 O 2) per 20 min seguito da significativa risciacquo in acqua prima della deposizione degli strati. </li></ol></li><li> Con le soluzioni preparate in 2.1, immergere sia la mica appena spaccati che è collegato a un vetrino o un wafer di silicio appena pulita in ciascuna soluzione seguendo la stessa sequenza di protocollo descritto in 2.3.3. Nota: Questa tecnica crea strati di Polymers su ciascuna di queste superfici che possono essere inserite nei rispettivi AFM o ellipsometer,. </li><li> Immagine strati depositati con un microscopio a forza atomica. Utilizzare la modalità di contatto intermittente e cantilever con 10 punte raggio di silicio nm (costante elastica 42 N / m) quando si raccolgono le immagini del campione. Imposta formato di scansione di 2,5 x 2,5 micron, punto di scansione come 512 e guadagno integrale del 10 per raccogliere immagini di esempio specifici. </li><li> Per la misurazione dello spessore degli strati con AFM dei film LBL secchi, utilizzare una punta morbida pipetta di plastica e la cicatrice di una linea su tutta la superficie dei film LBL preparati sulla superficie di mica. </li><li> Film Deposito LBL per la misurazione ellissometria su wafer di silicio. Misurare lo spessore con un ellipsometer una modulazione di fase alla lunghezza d&#39;onda di 632,8 nm usando l&#39;angolo multiplo di modalità incidenza. Variare gli angoli tra 85 ° e 65 ° a 1 ° intervalli. </li></ol> 4. Preparazione di Free-standing LBL Film <ol><li> Tagliare un25,4 x 7,6 millimetri rettangolo di acetato di cellulosa (CA) film (DS 2,5), che ha uno spessore di 0,13 millimetri ed allegare alla avambraccio automatizzato. Nota: cellulosa acetato di DS 3.0 non è solubile in acetone così DS 2,5 è preferito per recuperare le pellicole a strati. </li><li> Riempire ogni becher da 500 ml con soluzioni di PDDA, lignina, e nanocellulose seconda della concentrazione e del pH al punto 2.1. <ol><li> Riempire tre bicchieri supplementari con tampone acquoso da utilizzare come soluzione di risciacquo per ogni ciclo di deposizione. </li><li> Programmare il braccio della benna di procedere stessa sequenza come riportato in 2.3.3. Nota: È importante usare una soluzione di risciacquo differente dopo ogni rispettivo soluzione polimerica perché nel processo layer-by-layer, alcuni polimero che non è strettamente legato alla superficie si desorbimento. La contaminazione incrociata delle soluzioni di risciacquo provoca rapidamente la precipitazione di complessi polielettrolita, che può essere assorbito come &quot;difetti&quot; alla superficie del film. </li></ol></li><li> Modificare le soluzioni inbicchiere durante 250 cicli periodicamente quando cominciano ad apparire torbida a causa di complessi colloidali. Un&#39;opzione è quella di automatizzare il rinnovo della soluzione mediante pompa peristaltica per fornire soluzione fresca o buffer di misura polivinilcloruro (PVC) i contenitori con ingressi e uscite. Nota: Le soluzioni agitato nei contenitori aiutare a migliorare la diffusione dei polielettroliti alla superficie. </li><li> Rifilare con cura i bordi del campione essiccato con le forbici che espongono il bordo CA e mettere in un piatto di vetro Petri coperta riempito con acetone per sciogliere il CA. Nota: Due film sono isolati dopo questo esperimento dalla parte anteriore e posteriore del CA. </li><li> Ammollo film isolato in acetone per 24 ore e risciacquare film ripetutamente con acetone per massimizzare la rimozione di CA residuo. </li></ol>

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Fabbricazione di Nanocellulose Per nanocellulose fabbricazione è necessario l&#39;ossidazione successo della fibra pasta per fibrillazione facile. L&#39;ossidazione è controllata da disponibili ipoclorito di sodio, che deve essere aggiunta lentamente alla quantità note in base alla quantità di cellulosa. Una ragione per ossidazione azioni deriva dal deposito della soluzione di ipoclorito di sodio per lunghi periodi. Questa efficienza di ossidazione ridotto può essere osservato durante la r...

C&#39;è grande interesse per derivare prodotti chimici e combustibili addizionali da biomassa, come carbonio assimilata dalle piante durante la fotosintesi è parte del corrente ciclo CO 2. La maggioranza di carbonio sequestrato (42-44%) è sotto forma di cellulosa, un polimero composto da unità β Glucopyranose 1-4-legati; quando idrolizzato, glucosio può essere utilizzato come reagente primario per fermentazione in combustibili a base di alcool. Tuttavia, l&#39;architettura parete cellulare delle piante arboree è evoluta per millenni creando un materiale che è resistente alla degradazione nell&#39;ambiente naturale 1. Questa stabilità trasporta oltre la trasformazione industriale dei materiali legnosi, quali colture energetiche rendendo la cellulosa di difficile accesso, isolare, e la ripartizione in glucosio. Uno sguardo più da vicino l&#39;ultrastruttura della parete cellulare secondaria rivela che si tratta di un nanocompositi polimero composto da strati di microfibre di cellulosa paracristalline incorporati in una matrice amorfa di lignina e orloicelluloses 2-4. Le microfibrille di cellulosa orientate longitudinalmente hanno un diametro di circa 2-5 nm, che sono aggregati insieme ad altri etero-polisaccaridi per formare grandi unità di fasci di fibrille 5. I fasci di fibrille sono incorporati in un complesso lignina-emicellulosa composto da un polimero amorfo di unità fenilpropanolo con alcuni collegamenti con altri etero-polisaccaridi come glucoronoxylan 4. Inoltre, questa struttura è ulteriormente organizzata in strati o lamelle, tutta la parete cellulare secondaria lignificato 6-8. Enzimi, come la cellulasi, hanno un momento molto difficile l&#39;accesso di cellulosa all&#39;interno della parete cellulare come si trova nella sua forma fibrille e incorporato in lignina. Il punto cruciale di veramente fare carburanti provenienti da fonti rinnovabili e piattaforme chimiche rinnovabili, una realtà è quello di sviluppare processi che economicamente permettono la saccarificazione della cellulosa nella sua forma nativa. Le nuove tecnologie chimiche e di imaging stanno aiutando nel study dei meccanismi coinvolti nella saccarificazione di 9,10 cellulosa. Molto lavoro è centrata su Raman confocale 11 e microscopia a forza atomica 12 per studiare la composizione chimica della parete cellulare e morfologia. Essere in grado di seguire da vicino i meccanismi di delignificazione e saccarificazione è un passo avanti significativo, incidendo la conversione della cellulosa in glucosio. Saccarificazione delle superfici di cellulosa modello è stato analizzato misurando i tassi cinetiche enzimatiche con una microbilancia al quarzo con il monitoraggio dissipazione (QCM-D) 13. Tuttavia, le pareti cellulari nativi sono molto complessi come sopra indicato, e questo crea ambiguità di come processi di conversione diversi cambiano la struttura della parete cellulare vegetale (peso molecolare del polimero, legami chimici, porosità). Modelli free-standing delle sostanze della parete cellulare con nota composizione strutturale sarebbe risolvere questo problema e consentire l&#39;integrazione di campioni in chimica e immaginario state-of-artattrezzature ng. Vi è una carenza di modelli di parete cellulare e le poche disponibili possono essere classificati come miscele di materiali polimerici e rigenerato di cellulosa o cellulosa batterica 14, enzimaticamente polimerizzati lignina-polisaccaride compositi 15-17, o superfici del modello 18-21. Alcuni modelli che iniziano ad assomigliare alla parete cellulare sono i campioni che contengono precursori lignina o analoghi enzimaticamente polimerizzati in presenza di cellulosa nella sua forma microfibrillare. Tuttavia, questi materiali soffrono della mancanza di architettura strato organizzato. Un semplice percorso per la creazione di materiali nanocompositi con architettura organizzata rappresenta l&#39;(LBL) tecnica layer-by-layer assembly, basato sulla adsorbimento sequenziale di polimeri o nanoparticelle con cariche complementari, o gruppi funzionali per formare pellicole composite multistrato organizzati 22-25. Nanocompositi ibridi free-standing di alta resistenza, realizzati da LBL deposizione di polimero e nanoparticles, sono stati segnalati da Kotov et al. 26-30. Tra le molte altre applicazioni, film LBL sono anche stati studiati per il loro potenziale utilizzo in consegna terapeutico 31, le membrane delle cellule a combustibile 32,33, batterie 34, e lignocellulosiche superficie della fibra modifica 35-37. Materiali compositi Il recente interesse cellulosa nanoscala basati hanno portato alla preparazione e caratterizzazione di LBL multistrati di nanocristalli cellulosa (CNC) preparata per idrolisi con acido solforico di fibre di cellulosa, e polielettroliti carica positiva 38-43. Sono stati inoltre condotti studi simili con nanocristalli di cellulosa ottenute da tunicin marina e polielettroliti cationici 44, CNC e xyloglucan 45 e CNC e chitosano 46. LBL formazione multistrato di cellulose carbossilate nanofibrillated (SNF), ottenute mediante omogeneizzazione ad alta pressione di fibre di pasta con polielettroliti cationici è stata anchestudiata 47-49. La preparazione, le proprietà, e l&#39;applicazione di CNC e cellulosa nanofibrillated sono stati esaminati in dettaglio 50-53. Il presente studio riguarda l&#39;esame della tecnica LBL come un modo potenziale per assemblare isolate polimeri lignocellulosiche (come nanocellulose e lignina) in modo ordinato come primo passo verso un composito lignocellulosica biomimetico con struttura lamellare. La tecnica LBL stato scelto per le sue condizioni di trasformazione benigne come, temperatura ambiente, pressione, e acqua come solvente, che sono le condizioni per la formazione di composito naturale 54. In questo studio riportiamo in multistrato accumulo di componenti in legno costitutive, ovvero microfibrille di cellulosa dal tetrametilpiperidinico 1-oxyl (TEMPO) ossidazione mediata di pasta e isolato lignina in film lamellari free-standing. Due lignine differenti sono utilizzati da diverse tecniche di estrazione, una al lignina tecnica della organosolv processo di spappolamento, e l&#39;altro un lignina isolato da palla-fresatura con meno modifiche durante l&#39;isolamento. Questi composti sono combinati con un polielettrolita sintetico in questo studio iniziale per dimostrare la fattibilità di fare film autoportanti stabili con un&#39;architettura simile alla parete cellulare 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

Materiali legnosi sono costituiti da pareti cellulari delle piante che contengono una parete cellulare secondaria stratificato composto polimeri strutturali di polisaccaridi e lignina. Layer-by-layer (LBL) processo di assemblaggio che si basa sul gruppo di molecole di carica opposta da soluzioni acquose è stato utilizzato per costruire un freestanding film composito di polimeri di legno isolati di lignina e cellulosa ossidata nanofibril (NFC). Per facilitare il montaggio di questi polimeri con carica negativa, un polielettrolita carica positiva, poli (cloruro diallyldimethylammomium) (PDDA), è stato usato come strato di collegamento per creare questa parete cellulare modello semplificato. Il processo di adsorbimento a strati è stata studiata quantitativamente con cristalli di quarzo microbalance con il monitoraggio dissipazione (QCM-D) e ellissometria. I risultati hanno mostrato che la massa strato / spessore per strato adsorbito aumentata in funzione del numero totale di strati. La copertura della superficie degli strati adsorbiti stato studiato con microscopia a forza atomica (AFM).Copertura completa della superficie con lignina in tutti i cicli di deposizione è stata trovata per il sistema, tuttavia, copertura della superficie da SNF aumenta con il numero di strati. Il processo di adsorbimento è stata condotta per 250 cicli (500 bistrati) su un acetato di cellulosa (CA) substrato. LBL assemblato film free-standing nanocompositi trasparenti sono stati ottenuti quando il substrato CA è stato poi sciolto in acetone. Scanning Electron Microscopy (SEM) delle sezioni trasversali fratturati mostra una struttura lamellare, e lo spessore per ciclo di adsorbimento (PDDA-lignina-PDDA-NC) è stato stimato a 17 nm per due diversi tipi di lignina utilizzati nello studio. I dati indicano un film con un&#39;architettura altamente controllato dove nanocellulose e lignina sono spazialmente depositati su scala nanometrica (un nanocompositi polimero-polimero), simile a quello osservato nella parete cellulare nativo.

QCM-D Analisi di Structured Woody Polymer Film Fabrication L&#39;adsorbimento LBL della lignina, NFC e PDDA è stata monitorata in tempo reale con QCM-D in due diversi esperimenti che coinvolgono due tipi di lignina. Questo metodo di analisi è molto sensibile per rilevare i cambiamenti nella frequenza quando le molecole vengono assorbiti alla superficie del cristallo di quarzo Figura 1 contiene una descrizione dettagliata della risposta QCM-D in un unico ciclo di deposizione, ...

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

L&#39;obiettivo di questa ricerca è stato quello di formare tessuto della parete cellulare vegetale sintetica usando assemblaggio layer-by-layer di fibrille nanocellulose e lignina isolati assemblato da sospensioni acquose diluite. Tecniche di misura di superficie microbilancia al quarzo e microscopia a forza atomica stati usati per monitorare la formazione del materiale nanocomposito polimero-polimero.

Verso Biomimicking Legno: Fabbricato Free-standing Films di Nanocellulose, lignina, e policatione sintetico

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.  L'obiettivo di questa ricerca è stato quello di formare tessuto della parete cellulare vegetale sintetica usando assemblaggio layer-by-layer di fibrille nanocellulose e lignina isolati assemblato da sospensioni acquose diluite. Tecniche di misura di superficie microbilancia al quarzo e microscopia a forza atomica stati usati per monitorare la formazione del materiale nanocomposito polimero-polimero. 

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 tecnica di funzionalizzare e Self-montare macroscopiche nanoparticelle-ligando monostrato Films su substrati privi di modello

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

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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.

Modelli atomicamente definiti per epitassiale crescita di ossido Complex 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.

Fabbricazione di ampia superficie Free-standing ultrasottili film polimerici

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.

Da costrutti a cristalli - Verso Struttura Determinazione della β-canna esterna proteine ​​di membrana

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 stabile, funzionale Peloso nanoparticelle e biopolimeri da fibre di legno: verso nanotecnologia sostenibile

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.

Deposizione di vapore reattiva di film polimerici coniugati su substrati arbitrari

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 genica ispirato Polycation rivestimento per la protezione di nanostrutture di DNA Origami

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.

Pellicole dell'ossido di Niobium depositate da Sputtering reattivo: Effetto del flusso di ossigeno

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).

Applicazione di deformazione dinamica su pellicole di ossido sottile immobilizzate su una lega pseudoelastica nichel-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.

Progettato per il riciclaggio molecolare: un polimero biobased semi-aromatico derivato dalla lignina

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