Кинетическая остановка при сушке пленок нанокристаллов целлюлозы из водных суспензий аналогична замораживанию тепловых движений

Том 12 научных отчетов, номер статьи: 21042 (2022) Цитировать эту статью

732 Доступа

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Всестороннее понимание управления радужностью целлюлозных пленок путем управления выравниванием и шагом спирали нанокристаллов целлюлозы (ЧПУ) необходимо для развития фотоники целлюлозы и ее оптоэлектронных приложений. Водные суспензии ХНК содержат фазу холестерических жидких кристаллов (ЖК) структурного цвета; однако добиться однородно окрашенной пленки чрезвычайно сложно. Предположительно, поскольку на выравнивание молекул CNC и шаг спирали влияют многочисленные взаимосвязанные факторы, существующие модели не обязательно являются окончательными и остаются предметом дискуссий. Чтобы в конечном итоге достичь однородно окрашенных пленок, мы сравниваем водные суспензии CNC как лиотропных жидких ЖК с термотропными и спектроскопически подтверждаем, что окраска капель CNC происходит из-за периодической структуры CNC. Процесс суспензионной сушки существенно влияет на качество радужности пленок ЧПУ. Быстро высыхающая капля суспензии ЧПУ образует концентрическую радужную пленку с красными краями и синим центром, типичную для эффекта кофейных колец, наблюдаемого в пленках, высушенных на воздухе. Напротив, медленная сушка при контролируемой влажности, которая уменьшает капиллярный поток, обеспечивает более высокую однородность и большую площадь синего цвета. Орбитальное встряхивание пленок во время сушки в условиях высокой влажности еще больше улучшает однородность. Следовательно, скорость испарения существенно влияет на термодинамически стабилизированный шаг спирали ЧПУ, определяющий структурный цвет. Мы качественно моделируем кинетическую остановку, вызванную быстрым испарением лиотропных ЖК, способом, эквивалентным тому, который вызывается скоростью изменения температуры в термотропных ЖК и других материалах.

Естественные нанофотонные структуры можно наблюдать в природе, например, окраску живых существ1,2,3,4,5,6,7,8,9; однако изготовление искусственных материалов, таких как полимеры, которые эквивалентны природным структурам, остается проблемой с точки зрения контроля порядка молекул в различных масштабах от наноскопических до макроскопических длин10,11,12,13. Удивительно, но естественные процессы в биологии могут реализовывать тонкий молекулярный порядок и беспорядок в различных масштабах. Создание биомиметических полимеров с использованием их самоорганизующейся природы представляет значительный интерес, поскольку успешное управление путями самоорганизации имеет решающее значение для реализации масштабируемой сборки нано- и микроструктурированных материалов с ожидаемыми оптическими свойствами.

Будучи функциональными наноструктурными материалами с высокой добавленной стоимостью, нанокристаллы целлюлозы (ЧНК) обладают различными уникальными функциями материала, которые побудили нас использовать их в широком спектре применений13,14,15,16,17. Одним из последних достижений в оптоэлектронных приложениях с использованием ЧПУ являются целлюлозные пигменты18, которые даже использовались для производства пленок ЧПУ с крупномасштабным упорядочением19. Более подробно, самособирающиеся ЧПУ сначала были заключены в эмульгированные микрокапли. Затем, в процессе сушки, микрокапли, вероятно, подверглись множественному короблению из-за испарения растворителя и/или последующей термической обработки. Считалось, что цвет дисперсий пигментов обусловлен степенью сжатия наноструктур внутри микрокапель во время высыхания, и экспериментально было подтверждено, что эта окраска является структурной.

В целом, ЧНК представляют собой легкие, жесткие макромолекулы в форме наностержней длиной 100–200 нм и шириной 5–15 нм, которые могут быть получены из биоисточников из хлопка или древесной массы и могут образовывать стабильную коллоидную суспензию. Кроме того, при концентрации выше пороговой они могут самопроизвольно самоорганизовываться в фазу холестерических жидких кристаллов (ЖК)20,21. Эта холестерическая структура обычно встречается в природной целлюлозе, полученной из растений6, и хитиновых тканях крабов22,23 и насекомых3. Способность ЧПУ формировать холестерические ЖК была исследована с точки зрения управления окраской тонких твердых пленок24,25,26,27,28,29 и создания целлюлозных или неорганических фотонных сенсоров с использованием нанотехнологических методов17,30,31,32. ,33. Кроме того, включение примесей, таких как флуоресцентные молекулы или наностержни плазмонного золота, в холестерические структуры приводит к появлению дополнительного контролируемого параметра, а именно, является ли их порядок позиционным или ориентационным, в дополнение к оптическому отклику, индуцированному хиральностью структур CNC34,35,36 ,37.