Das Studium der Grundlagen von Wasser als Lösungsmittel könnte zu umweltfreundlicheren Produkten auf Zellulosebasis führen

Wasser ist nicht nur ein universelles Lösungsmittel, das von seinen Wechselwirkungen unbeeinflusst bleibt. Neue Veröffentlichungen der North Carolina State University zeigen, dass Wasser seine Löslichkeitseigenschaften ändern kann, je nachdem, womit es interagiert. Insbesondere wenn Wasser mit Zellulose interagiert, kann es sich in geschichteten Schalen stapeln, um chemische Reaktionen innerhalb und die physikalischen Eigenschaften des Materials zu kontrollieren. Die Arbeit hat Auswirkungen auf ein nachhaltigeres und effizienteres Design von Produkten auf Zellulosebasis.

„Zellulose ist das weltweit am häufigsten vorkommende Biopolymer und wird in Anwendungen eingesetzt, die von Bandagen bis hin zu Elektronik reichen“, sagt Lucian Lucia, Professor für Biomaterialien und Chemie der Wälder am NC State und korrespondierender Autor einer neuen Studie in Gegenstand. „Aber die Zelluloseverarbeitung wurde hauptsächlich durch Versuch und Irrtum durchgeführt, und einige davon verwenden unglaublich aggressive Chemikalien. Um bessere Wege zur Verarbeitung von Zellulose zu finden, müssen wir ihre grundlegendsten Wechselwirkungen verstehen – zum Beispiel mit Wasser.“

Dazu arbeitete er mit seinem Kollegen Jim Martin, Professor für Chemie an der NC State, zusammen, der die grundlegenden Eigenschaften von Wasser als Lösungsmittel untersucht.

„Wasser hat die unheimliche Fähigkeit, Eigenschaften zu ändern, je nachdem, was es enthält, was ihm ein breites Spektrum an Löslichkeitseigenschaften verleiht“, sagt Martin. Martin ist Autor eines Meinungsartikels in Gegenstand das ist ein Begleiter zu Lucias Arbeitszimmer.

„Wir verändern die Natur des Wassers durch das, was wir darin auflösen, und durch die Konzentrationen dieser gelösten Stoffe im Wasser“, sagt Martin. „Denken Sie an das Kontinuum zwischen Kool-Aid und Bonbons. Sie beginnen mit Zucker. In Kool-Aid ist der Zucker vollständig aufgelöst. Wenn Sie das Wasser entfernen, erhalten Sie Toffee, dann Bonbons und dann wieder Kristallzucker.“

„Wir wissen, dass Wasser entscheidend dafür ist, wie Zellulose abgelegt wird“, sagt Lucia. „Also haben wir in dieser Studie untersucht, wie es sich orientiert und eine reaktive Rolle bei der Abschwächung oder Nutzung der Chemie spielt.“

Die Forscher manipulierten verschiedene Arten von Holzfasern physikalisch und untersuchten, wie Wasser an sich selbst und andere Moleküle innerhalb der resultierenden Strukturen bindet. Sie sahen, dass bei niedrigeren Wassergehalten die Wasserverteilung und die daraus resultierenden molekularen Wechselwirkungen zwischen dem Wasser und den Fasern Brückenstrukturen innerhalb des Materials erzeugen, die dazu führen, dass es an Flexibilität verliert.

Tatsächlich sahen sie, dass sich das Wasser im Zellulosenetzwerk „verstecken“ kann und starke Wasserstoffbrückenbindungen bildet. Diese Bindung diktiert wiederum die Festigkeit oder Lockerheit der Überbrückungsstrukturen.

„Das Wasser bildet Schalen um die Fasern, die sich stapeln können, wie eine russische Puppe, die sich verschachtelt“, sagt Martin. „Je weniger Schalen oder Schichten, desto härter die Fasern. Aber wenn Sie mehr Schichten hinzufügen, wächst die Verbindung zwischen den Fasern weiter weg und das Material wird weicher.“

Die Forscher hoffen, die Vielfalt der Bindungen, die Wasser innerhalb dieser Strukturen bildet, in zukünftigen Arbeiten zu untersuchen.

„Die Untersuchung dieser Wechselwirkungen auf molekularer Ebene ebnet den Weg zur Manipulation von Wasser in Zellulose, um bessere Produkte und Prozesse zu entwickeln“, sagt Lucian. „Wenn wir verstehen, was von den Grundprinzipien her geschieht, können wir Ansätze entwerfen, die die Eigenschaften von Wasser für alles nutzen, von der Arzneimittelabgabe bis zum Design von Elektronik.“

Die Forschungsarbeit „Computational and Experimental Insights into the Molecular Architecture of Water-Cellulose Networks“ und der Leitartikel „Water under thefluence of solutes: on the non-innocence of a universal solvent“ erscheinen beide in Gegenstand.