Теоретически наноцеллюлоза может стать следующим суперматериалом.
Класс биологических материалов - нанокристаллы целлюлозы присутствуют в многочисленных природных системах, в первую очередь деревьях, привлекли внимание исследователей из-за своей чрезвычайной прочности, малого веса и упругости. На самом деле эти материалы настолько прочны и жестки, что многие ученые считают, что они могут заменить кевлар в бронежилетах и шлемах для военных. В отличие от своего исходного материала (дерева) нанокристаллы целлюлозы являются прозрачными, что делает их перспективными кандидатами для защитных очков, окон или дисплеев.
Однако в реальности все обстоит не так радужно.
"Очень трудно в эксперименте воплотить предсказанные теоретические свойства," - говорят исследователи. - "После создания композиционного материала с наноцеллюлозой экспериментальные данные очень часто не совпадают с теорией."
Исследователи изMcCormick School of Engineering разработали новый вычислительный подход, который объясняет почему в ходе экспериментов не получается идеальный материал и предлагает решения для исключения этих недостатков, в частности путем изменения химии поверхности нанокристаллов целлюлозы для получения более прочных водородных связей с полимерами.
Нанокристаллы целлюлозы являются идеальным кандидатом для нанокомпозитов - материалов, где синтетический полимер матрицы содержит наноразмерные частицы наполнителя. Они обладают массой достоинств поскольку, естественно, биодоступны, относятся к возобновляемым ресурсам, нетоксичны, относительно недороги и могут быть легко извлечены из древесной пульпы в бумажной промышленности.
Единичный нанокристалл целлюлозы и его сечение.
Проблемы возникают, когда исследователи пытаются совместить наполнитель (частицы наноцеллюлозы) с полимерной матрицей. Пока исследователям не хватало понимания того, как концентрация наполнителя влияет на общие свойства композита, а также характер взаимодействий между матрицей и наполнителем.
Решение исследователей изMcCormick School of Engineering сосредотачивает внимание на размерах, а не на природе материалов. Понимая, какие факторы определяют свойства на атомном уровне, вычисления исследователей могут предсказать свойства нанокомпозита при масштабировании до истинных размеров, при этом требуется минимум экспериментальных данных.
Источник: Xin Qin, Wenjie Xia, Robert Sinko, Sinan Keten. Tuning Glass Transition in Polymer Nanocomposites with Functionalized Cellulose Nanocrystals through Nanoconfinement . Nano Letters, 2015; 150916134333003 DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02588