Химики обнаружили дефекты в структуре нанокристаллов целлюлозы

Международная группа химиков из Японии, Канады и Европы обнаружила структурные дефекты на поверхности нанокристаллов целлюлозы (CNC). Это важный шаг к пониманию деградации целлюлозы для получения возобновляемых наноматериалов, биохимических продуктов и биотоплива.

Исследование, опубликованное в Science Advances, представляет собой наиболее детальный на сегодня анализ поверхностной химии и структуры отдельных частиц CNC.

Методология и ключевые открытия

Учёные под руководством исследователей из Университета Канадзавы применили трёхмерную атомно-силовую микроскопию (3D-AFM) и молекулярное моделирование к отдельным волокнам CNC в воде.

• Высокое разрешение сканирования выявило новые детали расположения целлюлозных цепей на поверхности CNC.
• На кристаллических участках структура волокна в основном демонстрировала сотоподобное или зигзагообразное расположение цепей.
• Эти упорядоченные области чередовались с неупорядоченными, некристаллическими участками через нерегулярные интервалы.
• Исследователи обнаружили структурные дефекты, связанные именно с этими некристаллическими областями поверхности.

Значение исследования

Профессор Такеши Фукума, директор Института нано-бионаук Университета Канадзавы, отметил, что это «важный шаг к пониманию механизмов деградации CNC, что критически для конверсии биомассы».

Профессор Марк Маклахлан из Университета Британской Колумбии, соавтор работы, подчеркнул: «Важно визуализировать поверхность и дефекты в этих природных структурах, чтобы продвинуть их применение».

Дополнительные аспекты исследования

• Учёные также смоделировали трёхмерное расположение молекул воды вблизи поверхности CNC. Это может дать материалологам дополнительные подсказки о том, как поверхность CNC взаимодействует с молекулами (адсорбция, диффузия, химические реакции).
• Команда из Университета Британской Колумбии синтезировала и очистила нанокристаллы целлюлозы для проекта.
• Вычислительные исследования и моделирование были выполнены группой из Финляндии под руководством профессора Адама Фостера.

Справка

• CNC (нанокристаллы целлюлозы) — жёсткие, стержнеобразные частицы («усы»), получаемые путём преобразования микрофибрилл целлюлозы в почти идеальные кристаллические структуры с помощью химических или механических методов.
• 3D-AFM — разработка профессора Фукумы, которая позволяет разрешать особенности не только на поверхности объекта, но и на его границе с водой, перемещая зонд микроскопа в трёхмерном пространстве интерфейса.