Selbstorganisation von Cellulose-Nanokristallen

Überblick über die CNC-Selbstorganisation

Research Topic of the Department

Einige der leuchtendsten und schillerndsten Farben in der Natur entstehen durch photonische Strukturen, wie zum Beispiel die spiralförmige Anordnung von Cellulosefasern in den Früchten von Pollia condensata und Margaritaria nobilis. Diese Beispiele aus der Natur inspirieren uns, nach Möglichkeiten zu suchen, Biopolymere als nachhaltige Quelle für Farbstoffe zu nutzen.

Cellulose ist das am häufigsten vorkommende Biopolymer auf der Erde, da es von praktisch allen Pflanzen und vielen anderen Organismen produziert wird. Native Cellulose liegt in Form von semikristallinen Fasern vor, die der pflanzlichen Zellwand mechanische Festigkeit verleihen. Kristalline Cellulose kann durch saure Hydrolyse aus Biomasse (z.B. Zellstoff, Baumwolle) gewonnen werden, wobei stäbchenförmige Nanopartikel entstehen, die als Cellulose-Nanokristalle (CNC) bezeichnet werden.

Einzelne CNCs sind weniger als einen Mikrometer lang - zu klein, um vom menschlichen Auge gesehen zu werden, selbst unter einem Lichtmikroskop - aber wenn sie in ausreichender Konzentration zusammengebracht werden, kann ihr kollektives Verhalten photonische Strukturen mit schillernden Farben erzeugen. Diese spontane Bildung einer hochgeordneten Struktur aus einfachen Bausteinen wird als Selbstorganisation bezeichnet.

Um den Selbstorganisationsprozess in Gang zu setzen, werden die CNCs zunächst in geringer Konzentration in Wasser suspendiert und getrocknet. Während das Wasser verdunstet, nimmt die Konzentration der CNCs zu. Wenn die Konzentration hoch genug ist, beginnen sich die stäbchenförmigen CNCs zu einer Konfiguration zu verbinden, die als cholesterische lyotrope Flüssigkristallphase bekannt ist. Während die CNCs lokal zueinander ausgerichtet sind, ist die Gesamtkonfiguration eine linkshändige helikale Struktur mit einer gewissen Steigung (Periodizität). Wenn das Wasser vollständig verdampft ist, bildet sich ein fester Cellulosefilm, der die cholesterische Struktur beibehält. Die Interferenz des Lichts innerhalb dieser periodischen Struktur bewirkt, dass bestimmte Wellenlängen (Farben) reflektiert werden und andere nicht, je nach Periodizität der Struktur: Ein Cellulosefilm mit größerer Periodizität reflektiert Licht mit längerer Wellenlänge, was zu einer Rotverschiebung führt, während ein Cellulosefilm mit kleinerer Periodizität Licht mit kürzerer Wellenlänge reflektiert, was zu einer Blauverschiebung führt.

Mit Hilfe von CNCs können wir also farbige Filme, Tröpfchen und Pigmentpartikel aus einem nachwachsenden Rohstoff herstellen. Einen detaillierteren technischen Überblick über die CNC-Selbstorganisation finden Sie in unserem umfassenden Übersichtsartikel, der in ACS Chemical Reviews https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.2c00836

Aktuelle Herausforderungen

Umweltfreundlichere Herstellung von CNCs

Während natürlich gewonnene Materialien wie CNCs von Natur aus nachhaltig sind, verbrauchen herkömmliche Methoden zur Herstellung von CNCs große Mengen an starken Säuren und Wasser. Wir erforschen daher alternative Methoden zur Herstellung von CNCs, die den Verbrauch von Reagenzien, Lösungsmitteln und Energie minimieren.

Standardisierte Charakterisierung der CNC-Morphologie

Es ist wichtig, die entscheidenden morphologischen Eigenschaften von CNCs, wie Länge und Breite, die von der gewählten Cellulosequelle und dem Herstellungsprozess abhängen, genau zu charakterisieren. Wir entwickeln Protokolle für eine schnelle Hochdurchsatz-Charakterisierung der CNC-Morphologie, um diesen Prozess zu beschleunigen.

Manipulation der Oberflächenchemie von CNCs

Die Wechselwirkungen von CNCs in Wasser und anderen Lösungsmitteln hängen stark von den chemischen Gruppen auf der Oberfläche der Nanopartikel ab. Durch die Erforschung neuer Oberflächenfunktionalisierungen für CNCs, die über die herkömmlichen Sulfat- und Carboxylatgruppen hinausgehen, wollen wir die Rolle der Oberflächenchemie bei der Selbstorganisation von CNCs verstehen und neuartige funktionelle Materialien entwickeln.

Untersuchung der Cellulose-Struktur in der pflanzlichen Zellwand und der Entstehung von Wechselwirkungen zwischen Cellulose und Hemicellulosen

Die metallische Färbung der Früchte von Pollia condensata und Margaritaria nobilis ist auf Wechselwirkungen zwischen Cellulosefasern und nicht-cellulosehaltigen Zellwandbestandteilen wie Hemicellulosen zurückzuführen. Mit Hilfe von atomistischen Simulationen und experimentellen Untersuchungen untersuchen wir den Ursprung dieser Wechselwirkungen und wie sie zur helikalen Anordnung der Cellulosefasern in der pflanzlichen Zellwand beitragen können.