Este trabalho foi apoiado principalmente pelo programa do Instituto de Crítica de Tecnologia e Ciências Aplicadas (ICTAS) na Universidade Virginia Tech, a tecnologia Graduate School Virginia do Doutorado Acadêmico para apoiar o programa de Nanotecnologia Sustentável, e também os Estados Unidos Departamento de Agricultura, NIFA número de concessão 2010-65504-20429. Os autores também agradecer as contribuições de Rick Caudill, Stephen McCartney, e W. Travis Igreja para este trabalho.

1. Nanofibrillated Celulose Preparação 55 <ol><li> Configuração de 3 L balão de três tubuladuras com 2 L de água desionizada, um agitador de topo, e sonda de pH. </li><li> Adicionar pasta kraft deslenhificada, 88% de brilho (20 g, 1% (w / v, com base no peso seco)), 2,2,6,6-tetrametilpiperidina 1-oxilo (TEMPO) (0,313 g, 0,1 mmol / g celulose) e brometo de sódio (NaBr, 2,0 g, 1 mmol / g celulose) ao balão. <ol><li> Misturar a fibra de celulose com o agitador suspenso até que a fibra é dispersa e não agregados podem ser vistos na reacção. Nota: A dispersão pode ser auxiliada por mistura da pasta em água antes da adição da pasta de papel para o balão de 3 L. </li></ol></li><li> Inicia-se a oxidação por adição lenta de uma solução a 12% de hipoclorito de sódio (NaClO, 51,4 ml, 5 mmol por g de celulose) à mistura de reacção. Nota: Para consistência ao longo da reacção, usar uma bomba de seringa, para proporcionar o NaClO com uma taxa de injecção de 1,5 ml / min. </li><li> Encha um segundo wi seringahidróxido de po de sódio (NaOH, 0,5 M) e de um medidor manualmente a solução alcalina para o balão gota a gota, para manter o pH a 10 ± 0,2. </li><li> Monitorizar a variação do pH ao longo do tempo e uma vez que todos os grupos hidroxilo acessíveis sobre a celulose são oxidados o pH já não vai diminuir e a reacção está completa. </li><li> Adicionar excesso de EtOH para consumir restante NaClO. Aproximadamente 6 ml de EtOH de prova 200 irá consumir todos os 100 mmol de NaClO originais. </li><li> Filtra-se e lava-se a fibra completamente oxidada com água purificada para remover os reagentes até pH neutro. Use uma centrífuga de cesto ou algum dispositivo de filtração de um funil de Buchner para recuperar a fibra. Armazenar a fibra a 4 ° C até à sua utilização. Nota: Após a conclusão da experiência, a fibra deverá ter um conteúdo de ácido carboxílico, tal como determinado por titulação conductométrica, entre 1,0 a 1,5 mmol por grama de fibra. Deve haver pouca diferença em aparência da fibra após a oxidação TEMPO. </li><li> Criar um 3% (w / v, com base no peso seco) a pasta de celulose oxidada TEMPO e misturar num misturador Warring até a suspensão torna-se viscosa e as pás começam a girar no ar devido a gelificação da suspensão. Nota: As concentrações mais baixas não funcionam tão eficazmente para fibrilar de celulose. <ol><li> Dilui-se a pasta combinada a 0,1% (w / v) e continuar a misturar até a suspensão se tornar transparente. </li></ol></li></ol> 2. Camada por camada Film Deposition para Experimentos QCM-D <ol><li> Preparar as seguintes soluções aquosas e ajustar cada solução com NaOH 0,1 M a um pH de 10,5: solução tampão aquosa (água e NaOH); 0,5% (w / v) de solução aquosa de cloreto de polydiallyldimethylammonium (PDDA); e 0,01% (w / v) de lignina. Ajustar o pH da suspensão NFC 0,1% a 8,0. Nota: O pH para estas experiências foi elevada, porque foi anteriormente demonstrado que a lignina é adsorvido num estado menos agregado em pH alcalino 56. </li><li> Limpoum cristal de quartzo revestidos com ouro seguindo recomendações do fabricante, utilizando uma solução de base de piranha [CUIDADO] (3:1 concentrada de NH 4 OH: H 2 O 2 a 60 ° C) durante 10 min. <ol><li> Lavar os cristais com água purificada, secar sob uma corrente de N 2, e imediatamente inserir na célula de fluxo de microbalança de cristal de quartzo, para evitar a contaminação do ar. </li></ol></li><li> Passe o tampão através da célula de fluxo para obter uma resposta de linha de base do cristal ressonante exposta ao líquido. <ol><li> Depositar uma camada de PDDA sobre o cristal de quartzo, expondo o cristal de quartzo para a solução PDDA durante 5 min. </li><li> Após 5 min voltar para a solução tampão. Nota: O processo no passo 2.3 cria uma resposta única camada, onde a quantidade de polímero depositado pode ser determinada sem o efeito da viscosidade da solução de polímero. </li><li> Repetir a adsorção de outros polímeros com a seguinte sequência com um tampão de rinse entre cada passo: PDDA (+) (passo 2.3.1); lenhina (-); PDDA (+); e NFC (-). Repita as 4x ciclo para depositar 16 camadas no total de polímeros e nanopartículas. </li></ol></li></ol> 3. Camada por camada Film Deposition para AFM e Elipsometria Experimentos <ol><li> Cole um disco circular de mica para uma lâmina de vidro usando um adesivo epóxi rápida. Após as curas adesivas, coloque um pedaço de fita para o disco de mica. Descasque a fita longe causando a superfície da mica para clivar. <ol><li> Limpar uma bolacha de silício com piranha ácido [CUIDADO] (3:1 H 2 SO 4: H 2 O 2), durante 20 minutos, seguido de enxaguamento em água significativo antes da deposição de camadas. </li></ol></li><li> Com as soluções preparadas em 2.1, mergulhar ou a mica recém clivada que está ligado a uma lâmina de vidro ou uma pastilha de silício recém limpos em cada solução seguindo a mesma sequência de protocolo apresentado na 2.3.3. Nota: Esta técnica irá criar camadas de polymers em cada uma destas superfícies que podem ser inseridos na AFM ou elipsometria, respectivamente. </li><li> Imagem das camadas depositadas com um microscópio de força atômica. Use o modo de contato intermitente e vigas com 10 dicas de silício raio nm (primavera constante 42 N / m) para a coleta de imagens da amostra. Definir o tamanho da digitalização como 2,5 x 2,5 mM, ponto digitalização como 512 e ganho integral de 10 para coletar amostras de imagens específicas. </li><li> Para a medição da espessura das camadas com AFM dos filmes secos LbL, utilizar uma pipeta de ponta de plástico macio e uma linha de cicatriz em toda a superfície dos filmes LbL preparados na superfície da mica. </li><li> Depósito filmes LBL para medição elipsometria em wafers de silício. Medir a espessura da película seca com um elipsómetro fase modulada num comprimento de onda de 632,8 nm, utilizando o ângulo de modo múltiplo incidência. Variar os ângulos entre 85 ° e 65 °, a intervalos de 1 °. </li></ol> 4. Preparação de Free-pé LBL Film <ol><li> Corte um25,4 x 7,6 milímetros retângulo de acetato de celulose (CA) filme (DS 2.5) que é de 0,13 mm de espessura e anexar ao braço de carga automatizado. Nota: O acetato de celulose de DS 3.0 não é solúvel em acetona assim DS 2,5 é preferido para recuperar os filmes em camadas. </li><li> Encher cada copo de 500 ml com soluções de PDDA, lenhina, e nanocellulose acordo com a concentração e o pH no passo 2.1. <ol><li> Encha três provetas adicionais com tampão aquoso para utilizar como uma solução de enxaguamento para cada ciclo de deposição. </li><li> Programe o braço de escavação para prosseguir na mesma seqüência como relatado na 2.3.3. Nota: É importante a utilização de uma solução de lavagem diferente depois de cada solução de polímero respectivo porque no processo de camada-a-camada, um polímero que não está firmemente ligado à superfície será dessorver. A contaminação cruzada das soluções de lavagem rapidamente faz com que a precipitação dos complexos de polielectrólitos, os quais podem absorver como &quot;defeitos&quot; para a superfície da película. </li></ol></li><li> Altere as soluções naproveta durante 250 ciclos periodicamente à medida que começam a aparecer por causa do tempo nublado complexos coloidais. Uma opção é automatizar a renovação da solução por meio de bomba peristáltica para entregar solução fresca ou buffer de policloreto de vinila (PVC) recipientes feitos com entradas e saídas. Nota: As soluções agitadas na recipientes ajudar a melhorar a difusão dos polielectrólitos para a superfície. </li><li> Aparar cuidadosamente as arestas da amostra seca com tesouras expondo a borda CA e colocar em uma placa de Petri de vidro coberto cheio com acetona para dissolver o CA. Nota: Dois filmes são isolados após esta experiência a partir da frente e traseira do CA. </li><li> Soak filmes isolado em acetona durante 24 horas e lavar repetidamente com acetona filmes para maximizar a remoção de CA residual. </li></ol>

Os autores não têm nada a revelar.

Fabricação de nanocellulose Para a fabricação nanocellulose é necessária a oxidação com êxito da fibra da polpa para fácil atrial. A oxidação é controlado por hipoclorito de sódio disponível, que deve ser adicionado lentamente em quantidades conhecidas com base na quantidade de celulose. Uma razão para a oxidação limitada surge a partir da armazenagem da solução de hipoclorito de sódio durante períodos prolongados. Isso reduziu a eficiência de oxidação pode ser observad...

Há um grande interesse de obter produtos químicos e combustíveis adicionais a partir de biomassa, como o carbono seqüestrado pelas plantas durante a fotossíntese é parte do atual ciclo de CO 2. A maioria de carbono retido (42-44%) está na forma de celulose, um polímero composto por unidades de glucopiranose β de 1 a 4 ligações; quando hidrolisado, a glicose pode ser utilizada como reagente principal para a fermentação em combustíveis à base de álcool. No entanto, a arquitectura da parede celular de plantas lenhosas evoluiu para milênios criando um material que é resistente à degradação no ambiente natural 1. Esta estabilidade se transfere para o processamento industrial de materiais lenhosos, como culturas energéticas fazendo celulose de difícil acesso, isolar e quebra em glicose. Um olhar mais atento a ultra-estrutura da parede celular secundária revela que é um nanocompósito polímero composto de microfibrilas de celulose paracristalinas camadas incorporado em uma matriz amorfa de lignina e bainhaicelluloses 2-4. As microfibrilas de celulose orientadas longitudinalmente tem um diâmetro de cerca de 2-5 nm, que são agregados em conjunto com outros hetero-polissacarideos, para formar unidades maiores de 5 feixes de fibrilas. Os feixes de fibrilas são embutidos em um complexo de lignina-hemicelulose composto de um polímero amorfo de unidades fenilpropanol, com algumas ligações com outros hetero-polissacarídeos como glucoronoxylan 4. Além disso, esta estrutura é ainda organizado em camadas ou lamelas, em toda a parede celular secundária lignificação 6-8. As enzimas, como as celulases, têm um tempo muito difícil o acesso de celulose dentro da parede da célula, uma vez que se encontra na sua forma de fibrilas e incorporado na lenhina. O ponto crucial de verdadeiramente fazer combustíveis de base biológica e plataformas de produtos químicos renováveis ​​a realidade é desenvolver processos que permitem economicamente a sacarificação de celulose em sua forma nativa. Novas tecnologias químicas e de imagem estão auxiliando na ruaudy dos mecanismos envolvidos na sacarificação de 9,10 celulose. Muito trabalho tem-se centrado em Raman confocal de imagem 11 e microscopia de força atômica de 12 para estudar a composição química da parede celular e morfologia. Ser capaz de acompanhar de perto os mecanismos de deslignificação e sacarificação é um passo significativo para a frente, impactando a conversão de celulose em glicose. Sacarificação de superfícies de celulose modelo foi analisado por medir as taxas cinéticas de enzimas com uma microbalança de cristal de quartzo com monitoramento dissipação (QCM-D) 13. No entanto, as paredes celulares são nativas altamente complexa, como indicado acima, e isto cria a ambiguidade de como diferentes processos de conversão de alterar a estrutura da parede da célula da planta (peso molecular do polímero, ligações químicas, de porosidade). Modelos de instalação livre das substâncias da parede celular com composição estrutural conhecido iria resolver este problema e permitir a integração de amostras em química e imaginação estado-da-arteequipamentos ng. Existe uma falta de modelos da parede celular e outros disponíveis podem ser categorizados como misturas de materiais de polímero e de celulose regenerada ou de celulose bacteriana 14, enzimaticamente polimerizados compósitos de lignina-polissacarídeo 15-17, 18-21 ou superfícies do modelo. Alguns modelos que começam a assemelhar-se a parede da célula são as amostras que contêm lenhina ou análogos precursores polimerizados enzimaticamente na presença de celulose, na sua forma microfibrilar. No entanto, estes materiais sofrem de falta de arquitectura camada organizada. Uma rota simples para a criação de materiais nanocompósitos com arquitetura organizada é o (LbL) técnica camada por camada de montagem, com base na adsorção seqüencial de polímeros ou nanopartículas com encargos complementares ou grupos funcionais de forma organizada filmes compostos de várias camadas 22-25. Free-standing nanocompósitos híbridos de alta resistência, feitos por deposição LbL de polímero e nanoparticles, têm sido relatados por Kotov et al. 26-30. Entre muitas outras aplicações, filmes automontados também têm sido investigados por seu uso potencial na entrega terapêutico 31, as membranas das células de combustível 32,33, as baterias de 34, e da superfície de fibras lignocelulósicas modificação 35-37. Materiais compósitos O interesse recente na celulose nanoescala baseados levaram à preparação e caracterização de multicamadas LbL de nanocristais de celulose (CNC), preparados por hidrólise com ácido sulfúrico, de fibras de celulose, e polielectrólitos positivamente carregados 38-43. Estudos semelhantes também foram realizados com nanocristais de celulose obtidos a partir tunicin marinha e polieletrólitos catiônicos 44, CNC e xiloglucano 45 e CNC e quitosana 46. LbL multicamadas de celuloses carboxiladas nanofibrillated (SNF), obtidas por homogeneização de alta pressão, de fibras de celulose com polielectrólitos catiónicos tem sido tambémEstudou 47-49. A preparação, propriedades e aplicação de CNCs e celulose nanofibrillated foram revistos em detalhe 50-53. O presente estudo envolve a análise da técnica LbL como uma forma potencial para montar polímeros lignocelulósicos isolados (como nanocellulose e lignina) de forma ordenada como o primeiro passo no sentido de uma composição lignocelulósica biomimético com estrutura lamelar. A técnica de automontagem foi seleccionado para as suas condições de processamento benignas, tais como, a temperatura ambiente, a pressão, e água como o solvente, que são as condições para a formação de compósitos singular 54. Neste estudo, um relatório sobre o multicamadas acúmulo de componentes de madeira constitutivos, ou seja, as microfibrilas de celulose da tetrametilpiperidin 1-oxi (TEMPO) oxidação mediada de celulose e lignina isolada em filmes lamelares free-standing. Dois ligninas diferentes são usadas de diferentes técnicas de extração, um a lignina técnica do organosolv processo de polpação, e por outro uma lignina isolada da bola de moagem com menos alteração durante o isolamento. Estes compostos são combinados com um polieletrólito sintético neste estudo inicial para demonstrar a viabilidade de tornar estáveis ​​filmes free-standing com arquitetura semelhante à parede celular nativa.

<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

Materiais de madeira são compostos de paredes celulares de plantas que contêm uma parede celular secundária em camadas composto por polímeros de polissacáridos estruturais e lignina. Camada por camada (LbL) processo de montagem que se baseia no conjunto de moléculas de cargas opostas de soluções aquosas foi usada para construir um filme composto independente de polímeros de madeira isolados de lignina e celulose oxidada nanofibril (NFC). Para facilitar a montagem destes polímeros carregados negativamente, de um polielectrólito de carga positiva, de poli (cloreto de diallyldimethylammomium) (PDDA), foi utilizado como uma camada de ligação para criar esta parede celular modelo simplificado. O processo de adsorção em camadas foi estudado quantitativamente utilizando microbalança de cristal de quartzo com monitoramento dissipação (QCM-D) e elipsometria. Os resultados mostraram que a camada de massa / espessura por camada adsorvida aumentou como uma função do número total de camadas. A cobertura da superfície das camadas adsorvidas foi estudada com microscopia de força atômica (AFM).A cobertura completa da superfície com a lignina em todos os ciclos de deposição foi encontrado para o sistema, no entanto, a cobertura de superfície por NFC aumentou com o número de camadas. O processo de adsorção foi realizada durante 250 ciclos (500) em bicamadas um acetato de celulose (CA) do substrato. Transparente LBL montado filmes estacionárias nanocompósitos foram obtidos quando o substrato CA foi depois dissolvido em acetona. Microscopia eletrônica de varredura (MEV) das seções transversais fraturadas mostrou uma estrutura lamelar, ea espessura por ciclo de adsorção (PDDA-lignina-PDDA-NC) foi estimada em 17 nm para dois tipos de lignina diferentes usados ​​no estudo. Os dados indicam uma película com uma arquitectura altamente controlado onde nanocellulose e lignina são espacialmente depositado em nanoescala (um nanocompósitos polímero-polímero), semelhante ao que é observado na parede celular nativa.

QCM-D Análise de Structured Polymer Fabrication Woody Film A adsorção LbL de lignina, NFC e PDDA foi monitorada em tempo real com QCM-D em dois experimentos diferentes envolvendo dois tipos de lignina. Este método de análise é muito sensível para detectar alterações na frequência, quando as moléculas de adsorver à superfície do cristal de quartzo Figura 1 contém uma descrição pormenorizada da resposta QCM-D em um ciclo de deposição, que envolve duas bicamadas ...

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

O objetivo desta pesquisa foi o de formar planta sintética tecido da parede celular usando montagem camada por camada de fibrilas nanocellulose e lignina isolado montado a partir de suspensões aquosas diluídas. Foram utilizadas as técnicas de medição de superfície de microbalança de cristal de quartzo e de microscopia de força atómica para monitorizar a formação do material nanocompósito de polímero-polímero.

Rumo Biomimicking Madeira: Fabricados free-standing Filmes de nanocellulose, lignina, e uma policátion 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

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Vídeo: 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.

Uma técnica para funcionalizar e auto-montar macroscópicas Nanopartículas-ligante monocamada Films em substratos sem Modelo

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

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.

Templates atomicamente definidos para crescimento epitaxial do Complexo Óxido Filmes Finos

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.

Fabricação de grande-área royalty-pé 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 construções de Cristais - Rumo a determinação da estrutura de β-barril exterior Proteínas de 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 estável, funcional Hairy Nanopartículas e Biopolímeros de fibras de madeira: Rumo a nanotecnologia Sustentável

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.

Depósito de Vapor reativa dos filmes de polímeros conjugados em substratos arbitrários

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.

Gene-terapia inspirou Polycation revestimento para proteção de nanoestruturas de Origami de DNA

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.

Óxido de nióbio filmes depositados por sputtering reativa: efeito da taxa de fluxo de oxigênio

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).

Aplicando tensão dinâmica em filmes de óxido fino imobilizado em uma liga pseudoelástica de níquel-titânio

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.

Projetado para reciclagem molecular: um polímero semi-aromático derivado da lignina

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