Name: towards biomimicking wood: fabricated free-standing films of nanocellulose, lignin, and a synthetic polycation
Uploaded: 2014-06-17T22:45:00
Description: Watch this Scientific Journal Video about Towards Biomimicking Wood: Fabricated Free-standing Films of Nanocellulose, Lignin, and a Synthetic Polycation at JoVE.com

Dette arbeidet ble i hovedsak støttet av doktorgrads Scholars program ved Institutt for Critical Teknologi og Applied Science (ICTAS) ved Virginia Tech, Virginia Tech Graduate School for å støtte bærekraftig Nanoteknologi programmet, og også USAs Department of Agriculture, Fiskeriforskning stipend nummer 2010-65504-20429. Forfatterne også takke bidrag fra Rick Caudill, Stephen McCartney, og W. Travis kirke til dette arbeidet.

En. Nanofibrillated Cellulose Forberedelse 55 <ol><li> Oppsett en 3 l tre-halset kolbe med 2 liter avionisert vann, et overliggende røreverk og pH-sonde. </li><li> Legg delignifiserte sulfatmasse, 88% lysstyrke (20 g, 1% (w / v, tørrvektbasis)), 2,2,6,6-tetrametylpiperidin 1-oksyl (TEMPO) (0.313 g, 0.1 mmol / g cellulose) , og natriumbromid (NaBr, 2,0 g, 1 mmol / g cellulose) til kolben. <ol><li> Bland cellulose fiber med overliggende omrører inntil fiberen er dispergert, og ingen aggregater kan sees i r...

Fabrikasjon av nanocellulose For nanocellulose fabrikasjon den vellykkede oksydasjon av massefiber er nødvendig for lettvinte fibrillasjon. Oksidasjon er kontrollert av tilgjengelige natriumhypokloritt, som skal være langsomt tilsatt ved kjente mengder basert på mengden av cellulose. En årsak til begrenset oksydasjon oppstår ved lagring av natrium-hypokloritt-løsning i lengre perioder. Dette reduserte oksidasjon effektivitet kan noteres under reaksjonen; masseoppslemmingen skal slå en bl...

Det er stor interesse for å utlede ytterligere kjemikalier og drivstoff fra biomasse, som karbon bindes av plantene under foto er en del av dagens CO 2 syklus. Flertallet av sequestered karbon (42-44%) er i form av cellulose, en polymer som består av β 1-4-koblede glukopyranoseenheter; når det hydrolyseres, kan glukose anvendes som utgangsstoff for fermentering til alkohol-baserte brennstoffer. Imidlertid har cellevegg arkitektur av treaktige planter utviklet seg i årtusener skape et materiale som er motstandsdyktig mot nedbrytning i naturen en. Denne stabiliteten bærer over i den industrielle behandling av trebaserte materialer som energiavlinger gjør cellulose vanskelig tilgjengelig, isolere, og nedbryting til glukose. En nærmere titt på ultrastructure av den sekundære celleveggen avslører at det er en polymer nanocomposite består av lagdelte paracrystalline cellulose microfibrils innebygd i en amorf matrise av lignin og hemicelluloses 2-4. Det lengderetningsorienterte cellulose mikrofibriller har en diameter på omtrent 2-5 nm, noe som er aggregert sammen med andre hetero-polysakkarider for å danne større enheter av fibril bunter 5. De fibril bunter er innebygd i en lignin-hemicellulose kompleks sammensatt av en amorf polymer av phenylpropanol enheter med noen koblinger til andre hetero polysakkarider som glucoronoxylan fire. Videre er denne strukturen videre organisert i lag eller lameller, gjennom lignified sekundærcelleveggen 6-8. Enzymer, som cellulaser, har en svært vanskelig tid på å hente cellulose i celleveggen som det er funnet i sin fibril form og innebygd i lignin. The crux av virkelig gjør biobaserte brensler og fornybar kjemiske plattformer en realitet er å utvikle prosesser som økonomisk tillater forsukring av cellulose i sin opprinnelige form. Nye kjemiske og bildeteknologi er å hjelpe til med stUdy av de mekanismene som er involvert i forsukring av cellulose 9,10. Mye arbeid har fokusert på Raman konfokal avbildning 11 og atomic force microscopy 12 for å undersøke celleveggen kjemiske sammensetning og morfologi. Å kunne følge nøye mekanismer delignifikasjonen og forsukring er et betydelig skritt fremover, påvirker omdannelsen av cellulose til glukose. Forsukring av modellcelluloseoverflater ble analysert ved å måle enzymkinetiske priser med en kvartskrystall mikrovekt med dissipation overvåkning (QCM-D) 13. Imidlertid opprinnelige cellevegger er meget kompleks som angitt ovenfor, og dette skaper tvetydighet på hvordan forskjellige omdannelsesprosesser som endrer strukturen av plantecellevegg (polymer molekylvekt, kjemiske bindinger, porøsitet). Frittstående modeller i celleveggen stoffer med kjent strukturelle sammensetning ville møte denne bekymringen og tillate integrering av prøvene i state-of-art kjemiske og imaging utstyr. Det er en mangel på celleveggmodeller og få tilgjengelige kan kategoriseres som blandinger av polymer materialer og regenerert cellulose eller bakteriell cellulose 14, enzymatisk polymeriserte lignin-polysakkarid kompositter 15-17, eller modellflater 18-21. Noen modeller som begynner å ligne celleveggen er prøvene som inneholder lignin forløpere eller analoger polymeriserte enzymatisk i nærvær av cellulose i sin mikrofibrillært form. Imidlertid er disse materialer lider av mangel på organiserte lag arkitektur. En enkel rute for etablering av nanocomposite materialer med organisert arkitektur er det lag-på-lag (LBL) montering teknikk, basert på den sekvensielle opptak av polymerer eller nanopartikler med komplementære avgifter eller funksjonelle grupper for å danne organiserte flerlags kompositt filmer 22-25. Frittstående hybrid nanocomposites med høy styrke, laget av LbL avsetning av polymer og nanoparticles, har blitt rapportert av Kotov et al. 26-30. Blant mange andre programmer, har LBL filmene også blitt undersøkt for deres potensielle bruk i terapeutisk levering 31, drivstoff cellemembranene 32,33, batterier 34, og lignocellulose fiber overflate modifikasjon 35-37. Den nylige interesse i nanoskala cellulose basert komposittmaterialer har ført til utarbeidelse og karakterisering av LBL multilayers av cellulosenanokrystaller (CNC) utarbeidet av svovelsyre hydrolyse av cellulosefiber, og positivt ladede polyelektrolytter 38-43. Lignende studier har også blitt gjennomført med cellulosenanokrystaller hentet fra marine tunicin og kationiske polyelektrolytter 44, CNC og xyloglucan 45, og CNC og kitosan 46. LbL flerlags dannelse av karboksylerte celluloser nanofibrillated (NFCs), fremstilt ved høytrykks-homogenisering av massefibre med kationiske polyelektrolytter har også værtstuderte 47-49. Utarbeidelse, egenskaper og anvendelse av CNCs og nanofibrillated cellulose har blitt gjennomgått i detalj 50-53. Denne studien innebærer undersøkelse av LBL teknikk som en mulig måte å montere isolerte lignocellulose polymerer (for eksempel nanocellulose og lignin) i en ordnet måte som det første skrittet mot en biomimetic lignocellulose sammensatt med bladstruktur. Den LbL teknikk ble valgt for dets godartet prosessbetingelser som for eksempel, lufttemperatur, trykk, og vann som løsningsmiddel, som er betingelser for naturlig sammensatt formasjon 54.. I denne studien vi rapportere om den flerlags oppbygging av konstitutive tre komponenter, nemlig cellulose-mikrofibriller fra tetrametylpiperidin 1-oksyl (TEMPO) formidlet oksydasjon av cellulose og lignin isolert inn i frittstående lamellære filmer. To forskjellige ligniner brukes fra ulike utvinning teknikker, en en teknisk lignin fra organosolv masseprosessen, og den andre en lignin isolert fra ball-milling med mindre modifikasjon under isolering. Disse forbindelsene er kombinert med en syntetisk polyelektrolytt i denne første studie for å vise gjennomførbarheten av å lage en stabil frittstående filmer med arkitekturen lik den opprinnelige celleveggen.

<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

Trebaserte materialer består av plantecellevegger som inneholder en lagdelt sekundærcelleveggen sammensatt av strukturelle polymerer av polysakkarider og lignin. Lag-for-lag (LBL) monteringsprosessen, som er avhengig av sammenstillingen av motsatt ladede molekyler fra vandige oppløsninger som ble brukt for å bygge opp en frittstående kompositt film av isolerte tre polymerer av lignin og oksydert nanofibril cellulose (NFC). For å lette monteringen av disse negativt ladede polymerer, en positivt ladet polyelektrolytt, poly (diallyldimethylammomium klorid) (PDDA), ble brukt som en forbindende sjikt for å skape denne forenklede modell celleveggen. Den lagdelte adsorpsjonsprosess ble undersøkt kvantitativt ved hjelp av kvartskrystall mikrovekt med dissipation overvåkning (QCM-D) og ellipsometry. Resultatene viste at lag masse / tykkelse per adsorberte lags økte som en funksjon av det totale antall lag. Overflaten dekning av adsorberte lag ble studert med atomic force mikroskopi (AFM).Fullstendig dekning av overflaten med lignin i alle avsetningssykluser ble funnet for systemet er imidlertid overflatedekning av NFC øker med antall lag. Den adsorpsjonsprosess ble utført i 250 sykluser (500 bilayers) på en cellulose-acetat (CA) substrat. Transparente frittstående LBL montert nanokompositte filmene ble oppnådd når CA underlaget ble senere oppløst i aceton. Scanning elektronmikroskopi (SEM) av de frakturerte tverrsnitt viste en lamellær struktur, og tykkelsen pr adsorpsjon syklus (PDDA-Lignin-PDDA-NC) ble estimert til å være 17 nm for to ulike ligninprodukter typer som brukes i undersøkelsen. Dataene indikerer en film med svært kontrollert arkitektur der nanocellulose og lignin er romlig avsatt på nanoskala (en polymer-polymer nanocomposites), i likhet med hva som er observert i den opprinnelige celleveggen.

QCM-D Analyse av strukturerte Woody Polymer Film Fabrication Den LbL adsorpsjon av lignin, ble NFC og PDDA overvåkes i sanntid med QCM-D i to forskjellige forsøk med to typer av ligniner. Denne analysemetode er meget følsom for å detektere endringer i frekvens når molekyler adsorberes til overflaten av kvartskrystall Fig. 1 inneholder en detaljert beskrivelse av QCM-D respons i en avsetningssyklus, som omfatter to bilayers (PDDA:. HMWL og PDDA: NC). Dataene representerer d...

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

Målet med denne undersøkelsen var å danne syntetiske plantecelleveggvevet ved hjelp av lag-på-lag montering av nanocellulose fibriller og isolert lignin sammen av fortynnede vandige suspensjoner. Overflatemåleteknikker av kvartskrystallmikrovekten, og atomic force microscopy ble brukt for å overvåke dannelsen av polymer-polymer nanocomposite materiale.

Mot Biomimicking Wood: Fabricated Frittstående Films av nanocellulose, lignin, og en syntetisk polykation

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

Research

JoVE Journal

Chemistry

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

En teknikk for å functionalize og selv montere Makroskopiske Nanoparticle-ligand monolagfilmene på Mal-free substrater

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 Definerte Maler for epitaksiale Vekst av 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 ...

Fabrication of Large-area Free-standing Ultrathin Polymer Films

Fabrikasjon av Stor-området Frittstående ultratynn 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

From Constructs to Crystals ÃƒÂ¢Ã¢â€šÂ¬Ã¢â‚¬Å“ Towards Structure Determination of ÃƒÅ½Ã‚Â²-barrel Outer Membrane Proteins

Fra konstruerer Crystals - Mot Struktur Bestemmelse av β-fat ytre membranproteiner

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

Meget Stabil, Funksjonell Hairy Nanopartikler og Biopolymere fra trefibrene: Mot bærekraftig Nanoteknologi

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

Capillary Electrophoresis to Monitor Peptide Grafting onto Chitosan Films in Real Time

Kapillær elektroforese til Monitor Peptide Negl på Chitosan Filmer i sanntid

Free-solution capillary electrophoresis (CE) separates analytes, generally charged compounds in solution through the application of an electric field. ...

Reactive Vapor Deposition of Conjugated Polymer Films on Arbitrary Substrates

Reaktiv damp deponering av konjugert Polymer filmer på vilkårlig underlag

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

Genterapi inspirert Polycation belegg for beskyttelse av DNA Origami nanostrukturer

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

Reducing Willow Wood Fuel Emission by Low Temperature Microwave Assisted Hydrothermal Carbonization

Redusere Willow Wood Fuel utslipp ved lav temperatur mikrobølgeovn assistert hydrotermisk karbonisering

Biomass is a sustainable fuel, as its CO2 emissions are reintegrated in biomass growth. However, the inorganic precursors in the biomass cause a negative ...

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

Niobium oksid filmer avsatt av reaktiv sputtering: effekten av oksygen flow rate

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