अत्यधिक स्थिर, कार्यात्मक रोंआर नैनोकणों और लकड़ी फाइबर से बायोपॉलिमर्स: सतत नैनो की ओर
Summary
Synthesis schemes to prepare highly stable wood fiber-based hairy nanoparticles and functional cellulose-based biopolymers have been detailed.
Abstract
नैनोकणों, नैनो और nanomedicine में महत्वपूर्ण सामग्री में से एक के रूप में, पिछले एक दशक के दौरान महत्वपूर्ण महत्व प्राप्त की है। धातु आधारित नैनोकणों सिंथेटिक और पर्यावरण बाधाओं के साथ जुड़े रहते हैं, सेल्यूलोज nanoparticle संश्लेषण के लिए एक हरे रंग की, स्थायी विकल्प प्रस्तुत करता है। यहाँ, हम रासायनिक संश्लेषण और जुदाई प्रक्रियाओं पेश बालों नैनोकणों (असर दोनों अनाकार और क्रिस्टलीय क्षेत्रों) और biopolymers लकड़ी फाइबर के आधार पर नए वर्गों का उत्पादन। नरम लकड़ी लुगदी की periodate ऑक्सीकरण के माध्यम से, सेल्यूलोज की ग्लूकोज की अंगूठी सी 2-सी 3 बांड पर खोला जाता है 2,3-dialdehyde समूहों के रूप में। आंशिक रूप से ऑक्सीकरण फाइबर के आगे हीटिंग (जैसे, टी = 80 डिग्री सेल्सियस) तीन उत्पादों, अर्थात् रेशेदार ऑक्सीकरण सेल्यूलोज, sterically स्थिर nanocrystalline सेल्यूलोज (SNCC), और भंग dialdehyde संशोधित सेल्यूलोज (DAMC) है, जो अच्छी तरह से रुक-रुक कर centrifugation द्वारा अलग हो रहे हैं में परिणाम और सह विलायक अलावा।आंशिक रूप से ऑक्सीकरण फाइबर (हीटिंग के बिना) carboxyl समूहों के लिए लगभग सभी एल्डिहाइड परिवर्तित करने के लिए क्लोराइड के साथ प्रतिक्रिया करने के लिए एक उच्च प्रतिक्रियाशील मध्यवर्ती के रूप में इस्तेमाल किया गया। सह-विलायक वर्षा और centrifugation electrosterically स्थिर nanocrystalline सेल्यूलोज (ENCC) और dicarboxylated सेल्यूलोज (डीसीसी) में हुई। पारंपरिक एनसीसी की तुलना में SNCC और ENCC (carboxyl सामग्री) ठीक periodate ऑक्सीकरण प्रतिक्रिया समय को नियंत्रित करने, असर अधिक से अधिक 7 mmol नैनोकणों (जैसे के प्रति ग्राम कार्य समूहों, अत्यधिक स्थिर नैनोकणों में जिसके परिणामस्वरूप द्वारा नियंत्रित किया गया के फलस्वरूप सतह के प्रभार से एल्डिहाइड सामग्री असर << 1 mmol कार्यात्मक समूह / छ)। परमाणु शक्ति माइक्रोस्कोपी (AFM), संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (मंदिर), और स्कैनिंग इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (SEM) छड़ी की तरह आकृति विज्ञान अनुप्रमाणित। Conductometric अनुमापन, फूरियर अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी (FTIR), परमाणु चुंबकीय अनुनाद (एनएमआर), गतिशील प्रकाश बिखरने (DLS), electrokinetic-एस बदलनाonic-आयाम (ईएसए) और ध्वनिक क्षीणन स्पेक्ट्रोस्कोपी शेड प्रकाश इन nanomaterials के बेहतर गुण पर।
Introduction
सेल्यूलोज, दुनिया में सबसे प्रचुर मात्रा में biopolymer के रूप में, हाल ही में एक महत्वपूर्ण कच्चे माल के रूप nanocrystalline सेल्यूलोज नामित क्रिस्टलीय नैनोकणों (एनसीसी, भी सेलूलोज nanocrystals सीएनसी के रूप में जाना जाता है) 1 उपज के लिए भेजा गया है। एनसीसी संश्लेषण के तंत्र को समझने के लिए, सेल्यूलोज फाइबर की संरचना का पता लगाया जाना चाहिए। सेल्यूलोज एक रेखीय और polydispersed जिसमें पाली-बीटा (1,4) डी ग्लूकोज अवशेषों 2 बहुलक है। प्रत्येक मोनोमर में चीनी के छल्ले (1-1.5) की जंजीरों के लिए फार्म glycosidic ऑक्सीजन के माध्यम से जुड़े हुए हैं 10 x 4 glucopyranose इकाइयों 2,3, क्रिस्टलीय भागों और अव्यवस्थित, अनाकार क्षेत्रों, पहली Nageli और Schwendener 2,4 द्वारा रिपोर्ट बारी शुरू। स्रोत पर निर्भर करता है, सेल्यूलोज की क्रिस्टलीय भागों विभिन्न पॅलिमरफ्स 5 अपनाने कर सकते हैं।
एक सेलूलोज फाइबर एक मजबूत एसिड के साथ व्यवहार किया जाता है, तो इस तरह के सल्फ्यूरिक एसिड के रूप में, अनाकार चरण पूरी तरह से hydrolyzed अवा हो सकता हैY बहुलक को बाधित और स्रोत के आधार पर विभिन्न पहलू अनुपात की क्रिस्टलीय कणों (उत्पादन करने के लिए जैसे, चौड़ाई की लकड़ी और कपास की उपज 90% से अधिक क्रिस्टलीय nanorods ~ 5-10 एनएम और लंबाई ~ 100-300 एनएम, जबकि tunicin, बैक्टीरिया, और शैवाल 5-60 एनएम चौड़ा और 100 एनएम का उत्पादन कई माइक्रोमीटर लंबे NCCs करने के लिए) 6। पाठकों इन nanomaterials 2,5,7-16 के वैज्ञानिक और इंजीनियरिंग पहलुओं पर उपलब्ध साहित्य की विशाल राशि के लिए भेजा जाता है। इन नैनोकणों के कई रोचक गुण होने के बावजूद, उनके कोलाइडयन स्थिरता हमेशा उनकी अपेक्षाकृत कम सतह प्रभारी सामग्री (कम से कम 1 mmol / छ) 17 के कारण उच्च नमक सांद्रता और उच्च / कम पीएच पर एक मुद्दा रहा है।
मजबूत एसिड हाइड्रोलिसिस के बजाय, सेल्यूलोज फाइबर कोई महत्वपूर्ण पक्ष प्रतिक्रियाओं 18,1 साथ 2,3-dialdehyde इकाइयों के लिए फार्म, एक ऑक्सीकरण एजेंट (periodate) के साथ इलाज किया जा सकता anhydro डी-glucopyranose अवशेषों में C2-सी 3 लिंकेज cleaving9। ये आंशिक रूप से ऑक्सीकरण फाइबर किसी भी यांत्रिक कतरनी या ultrasonication 20 बिना असर दोनों अनाकार और क्रिस्टलीय क्षेत्रों (बालों nanocrystalline celluloses) नैनोकणों पूरी तरह से रासायनिक प्रतिक्रियाओं का उपयोग कर उत्पादन के लिए एक मूल्यवान मध्यवर्ती माल के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है। आंशिक ऑक्सीकरण डिग्री डी एस <2, हीटिंग उत्पादों, अर्थात् रेशेदार सेल्यूलोज, पानी dispersible dialdehyde सेल्यूलोज nanowhiskers sterically स्थिर nanocrystalline सेल्यूलोज (SNCC) कहा जाता है के तीन बैचों में फाइबर परिणाम ऑक्सीकरण, और भंग dialdehyde संशोधित सेल्यूलोज (DAMC) है, जो अलग किया जा सकता जब और रुक-रुक कर centrifugation 21 सह विलायक अलावा पर सटीक नियंत्रण से।
आंशिक रूप से ऑक्सीकरण फाइबर पर नियंत्रित क्लोराइट ऑक्सीकरण प्रदर्शन इकाइयों, जो nanocrystalline सेलूलोज के प्रति ग्राम के रूप में उच्च के रूप में 7 mmol COOH समूहों को पेश कर सकते एल्डिहाइड सामग्री 18 के आधार पर Carboxyl के लिए लगभग सभी एल्डिहाइड समूहों धर्मान्तरित </sup>, स्थिरिकारी रूप में कार्य। ये नैनोकणों electrosterically स्थिर nanocrystalline सेल्यूलोज (ENCC) कहा जाता है। इसके अलावा, यह पुष्टि की गई है कि आरोप लगाया बाल की तरह फैला हुआ जंजीरों की नरम परतों ENCC 17 पर मौजूद हैं। इस सामग्री को एक अत्यधिक कुशल पी लेनेवाला भारी धातु आयनों 22 मांजना के रूप में इस्तेमाल किया गया है। इन नैनोकणों के आरोप ठीक periodate प्रतिक्रिया समय 23 को नियंत्रित करने से नियंत्रित किया जा सकता है।
सेलूलोज के ज्ञात ऑक्सीकरण प्रतिक्रियाओं के बावजूद, SNCC और ENCC के उत्पादन जुदाई चुनौतियों के लिए किसी अन्य अनुसंधान समूहों द्वारा सबसे शायद कारण सूचना नहीं किया गया है। हम सफलतापूर्वक synthesize और ठीक प्रतिक्रिया और जुदाई कदम डिजाइन द्वारा nanoproducts के विभिन्न अंशों को अलग-थलग करने में सक्षम है। यह दृश्य लेख पूरा विस्तार के साथ दर्शाता है कि कैसे reproducibly तैयार है और ऊपर उल्लिखित उपन्यास nanowhiskers को चिह्नित करने असर दोनों अनाकार और क्रिस्टलीय हिस्सालकड़ी फाइबर से है। इस ट्यूटोरियल नरम सामग्री, जैविक, और औषधीय विज्ञान, नैनो और nanophotonics, पर्यावरण विज्ञान और इंजीनियरिंग, और भौतिकी के क्षेत्र में सक्रिय शोधकर्ताओं के लिए एक परिसंपत्ति हो सकता है।
Protocol
Representative Results
Discussion
रसायन शास्त्र के इस दृश्य पत्र में चर्चा के बाद, ट्यून करने योग्य प्रभारी असर दोनों क्रिस्टलीय और अनाकार चरणों (बालों nanocrystalline celluloses) के साथ अत्यधिक स्थिर सेल्यूलोज आधारित नैनोकणों की एक स्पेक्ट्रम का उत्?…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Financial support from an Industrial Research Chair funded by FPInnovations and NSERC for a NSERC Discovery grant and from the NSERC Innovative Green Wood Fiber Products Network are acknowledged.
Materials
| Q-90 softwood pulp | FPInnovations | – | – |
| Sodium periodate | Sigma-Aldrich | S1878-500G/CAS7790-28-5 | Light sensitive, Strong oxidizer, must be kept away from flammable materials |
| Sodium chloride | ACP Chemicals | S2830-3kg/7647-14-5 | – |
| 2-Propanol | Fisher | L-13597/67-63-0 | Flammable |
| Ethylene glycol | Sigma-Aldrich | 102466-1L/107-21-1 | – |
| Sodium hydroxide | Fisher | L-19234/1310-73-2 | Strong base, causes serious health effects |
| Sodium chlorite | Sigma-Aldrich | 71388-250G/7758-19-2 | Reactive with reducing agents and combustible materials |
| Hydrogen peroxide | Fisher | H325-500/7722-84-1 | Corrosive and oxidizing agent, keep in a cool and dark place |
| Ethanol | Commercial alcohols | P016EAAN | Flammable |
| Hydrochloric acid | ACP Chemicals | H-6100-500mL/7647-01-0 | Strong acid, causes serious health effects |
| Hydroxylamine hydrochloride | Sigma-Aldrich | 159417-100G/5470-11-1 | Unstable at high temperature and humidity, mutagenic |
| Centrifuge | Beckman Coulter | J2 | High rotary speed |
| Fixed angle rotor | Beckman Coulter | JA-25.50 | Tighten the lid carefully |
| Dialysis tubing | Spectrum Labs | Spectra (Part No. 132676) | Cutoff Mw = 12-14 kD, Length ~ 30 cm, width ~ 4.5 cm |
| Aluminum cup | VWR | 611-1371 | 57 mm |
| Titrator | Metrohm | 836 Titrando | – |
Riferimenti
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