Zellulose-Nanokristalle – biobasierte Nanomaterialien, die aus natürlichen Ressourcen wie pflanzlicher Zellulose gewonnen werden – sind wertvoll für ihre Verwendung in der Wasseraufbereitung, Verpackung, Gewebezüchtung, Elektronik, antibakteriellen Beschichtungen und vielem mehr. Obwohl die Materialien eine nachhaltige Alternative zu nicht-biobasierten Materialien darstellen, belastet ihr Transport in flüssiger Form die industrielle Infrastruktur und führt zu Umweltauswirkungen.
Ein Team von Forschern der Penn State Chemical Engineering untersuchte die Mechanismen der Trocknung der Nanokristalle und schlug Nanotechnologie vor, um die Nanokristalle in wässrigen Medien hochgradig redispergierbar zu machen, während sie ihre volle Funktionalität beibehalten, um sie leichter zu lagern und zu transportieren. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie in der Zeitschrift Biomakromoleküle.
„Wir haben uns angesehen, wie wir haarige Nanokristalle nehmen, sie in Öfen trocknen und in Lösungen mit verschiedenen Ionen erneut dispergieren können“, sagte Co-Erstautorin Breanna Huntington, derzeitige Doktorandin für Chemieingenieurwesen an der University of Delaware und ehemaliges Mitglied der Sheikhi Forschungsgruppe während eines Bachelor-Studenten an der Penn State. „Dann haben wir ihre Funktionalität mit herkömmlichen, nicht haarigen Zellulose-Nanokristallen verglichen.“
Die Nanokristalle haben an ihren Enden negativ geladene Zelluloseketten, sogenannte Haare. Wenn sie rehydriert sind, stoßen sich die Haare gegenseitig ab und trennen sich, wobei sie sich aufgrund der elektrosterischen Abstoßung wieder durch eine Flüssigkeit verteilen – ein Begriff, der ladungsgetrieben oder elektrostatisch und abhängig vom freien Volumen oder sterisch bedeutet.
„Die haarigen Enden der Nanokristalle sind nanotechnologisch so konstruiert, dass sie negativ geladen sind und sich gegenseitig abstoßen, wenn sie in ein wässriges Medium gebracht werden“, sagte der korrespondierende Autor Amir Sheikhi, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen und Biomedizintechnik an der Penn State. „Um eine maximale Funktion zu haben, müssen die Nanokristalle getrennte, individuelle Partikel sein und nicht aneinander gekettet sein, wie sie es sind, wenn sie trocken sind.“
Nachdem die haarigen Partikel redispergiert waren, testeten die Forscher sie und maßen ihre Größe und Oberflächeneigenschaften und stellten fest, dass ihre Eigenschaften und Leistung die gleichen waren wie bei denen, die nie getrocknet worden waren. Sie fanden auch heraus, dass die Partikel in einer Vielzahl von Flüssigkeitsmischungen mit unterschiedlichen Salzgehalten und pH-Werten gut funktionieren und ihre Stabilität beibehalten können.
„Die haarigen Nanokristalle können selbst bei hohen Salzkonzentrationen redispergiert werden, was praktisch ist, da sie in rauen Medien funktionsfähig bleiben und in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden können“, sagte Co-Erstautorin Mica Pitcher, Doktorandin in Chemie an der Penn State University , überwacht von Sheikhi. „Diese Arbeit kann den Weg für eine nachhaltige und großtechnische Verarbeitung von Nanocellulosen ohne den Einsatz von additiven oder energieintensiven Methoden ebnen.“
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Breanna Huntington et al, Nanoengineering der Redispergierbarkeit von Cellulose-Nanokristallen, Biomakromoleküle (2022). DOI: 10.1021/acs.biomac.2c00518