Los químicos descubren grietas en el amor de los nanocristales de celulosa
El análisis más detallado hasta ahora de la química superficial y la estructura de las partículas individuales de nanocristales de celulosa
Químicos de Japón, Canadá y Europa han descubierto defectos en la estructura superficial de los nanocristales de celulosa, lo que supone un paso importante hacia la deconstrucción de la celulosa para producir nanomateriales renovables de interés para productos bioquímicos, soluciones energéticas y biocombustibles.
Los resultados -publicados en Science Advances- constituyenel análisis más detallado hasta la fecha de la química superficial y la estructura de las partículas individuales de nanocristales de celulosa (CNC).
(A) Una instantánea de dinámica molecular de un nanocristal de celulosa en agua. El eje c es perpendicular al plano de la imagen. (B) Mapa de densidad de oxígeno del agua simulado en 3D alrededor de un CNC de forma hexagonal con los planos cristalinos etiquetados. (C y D) Mapa de densidad 2D vertical promediado de los átomos de oxígeno del agua sobre el plano cristalino (010), tomado a través del plano zx a lo largo de la dirección perpendicular al eje de la cadena. (E y F) Cortes de densidad de agua horizontales 2D extraídos del mapa 3D en las posiciones verticales marcadas con flechas blancas y rojas en el panel E y D, respectivamente. (G y H) Mapas 2D verticales y horizontales obtenidos experimentalmente de la interfaz celulosa-agua, respectivamente.
c 2022 Yurtsever, et al.
(A) Imagen de AFM de defectos estructurales en la superficie del CNC, adquirida en agua. (B) Imagen topográfica de AFM de alta resolución de una superficie individual de CNC, que revela los detalles de la organización molecular en la interfaz. (C) La imagen reconstruida de la superficie en el panel B, obtenida mediante la ejecución de espectros 2D-FFT inversos. (D y E) Mapas verticales 2D ∆f de la interfaz celulosa-agua, indicando las capas de agua estructuralmente ordenadas.
c 2022 Yurtsever, et al.
El equipo, dirigido por investigadores de la Universidad de Kanazawa, aplicó la microscopía de fuerza atómica tridimensional (3D-AFM) y las simulaciones de dinámica molecular a fibras individuales de CNC en agua. El escaneo de alta resolución reveló nuevos detalles de la disposición de las cadenas de celulosa en la superficie de las CNC.
"Se trata de un paso esencial para comprender los mecanismos de degradación de los CNC, que son cruciales para la conversión de la biomasa, con relevancia para los nanomateriales renovables y la producción de productos químicos", afirmó el profesor Takeshi Fukuma, director del Instituto de Nano Ciencias de la Vida de la Universidad de Kanazawa.
En su mayor parte, la estructura de una sola fibra CNC mostraba disposiciones en forma de panal o de cadena en zigzag en las partes cristalinas, intercaladas con regiones desordenadas y no cristalinas a intervalos irregulares. Los investigadores descubrieron defectos estructurales asociados a las regiones no cristalinas de la superficie.
"Este es un gran ejemplo de la colaboración internacional desarrollada en el Instituto de Ciencias de la Vida Nano de la Universidad de Kanazawa", dijo el profesor de la Universidad de Columbia Británica Mark MacLachlan, Cátedra de Investigación de Canadá en Materiales Supramoleculares y coautor del artículo. "Es importante visualizar la superficie y los defectos de estas estructuras naturales para avanzar en sus aplicaciones".
Los químicos del laboratorio del profesor MacLachlan en la UBC ayudaron a idear el experimento y sintetizaron y purificaron los nanocristales de celulosa para el proyecto. Un equipo de Finlandia, dirigido por el profesor Adam Foster, se encargó de los estudios computacionales y la modelización.
El estudio también modelizó la disposición tridimensional de las moléculas de agua cerca de la superficie del CNC, lo que podría ofrecer a los científicos de materiales pistas adicionales sobre cómo la superficie del CNC podría responder a la adsorción molecular, la difusión y las reacciones químicas.
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
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