Fysiker från universitetet i Luxemburg har nyligen tagit betydande steg framåt för att lösa några av de utestående forskningsfrågorna om cellulosa. Deras resultat har publicerats i de prestigefyllda tidskrifterna Angewandte Chemie och Kommunikationsmaterial .

Cellulosa finns överallt

Vad gör dina jeans, broccoli, papper, träd i skogen och en av de hetaste nanopartiklarna i aktuell internationell materialforskning har gemensamt? Så orelaterade som dessa föremål kan verka vid första anblicken, de är alla gjorda av polymercellulosa. Det är faktiskt inte så förvånande att cellulosa förekommer i så många sammanhang, eftersom det är den enskilt vanligaste polymeren på jorden, syntetiseras i varje växt för att ge den styrka och struktur. Sedan urminnes tider, mänskligheten har förstått att använda detta fantastiska material, förvandla det till papper att skriva på, bomullsfibrer för tillverkning av kläder, och under den industriella tidsåldern till relaterade material som cellofan för förpackning, nitrocellulosa för nagellack och fotografisk film, eller hydroxipropylcellulosa (HPC) för att skapa formen och volymen på pillret som du tar när du behöver få i dig några milligram medicin. Medan HPC utgör cirka 99% av p-piller, detta smälts inte, precis som vi inte kan smälta den naturliga cellulosan i broccolin när vi äter den. Än, att cellulosa är avgörande för att säkerställa att våra tarmar fungerar bra; det som ofta kallas "fibrer" i livsmedel är ingenting annat än cellulosa.

I dag, cellulosa som ett avancerat material genomgår en återfödelse, som forskare runt om i världen, på universitet såväl som i industrin, upptäcker nya sätt att dra nytta av dess anmärkningsvärda egenskaper. Denna nya utveckling är baserad på insikten om att cellulosa och derivat som HPC kan självorganisera sig i komplexa ordnade strukturer, med spektakulära optiska och mekaniska egenskaper, när det är suspenderat eller löst i vatten under rätt förhållanden. När cellulosa går in i detta ordnade flytande tillstånd, kallas en 'flytande kristall, ' det öppnar för funktionella material med en rad användningsmöjligheter, som produceras hållbart och är helt biologiskt nedbrytbara, lämnar ett minimalt fotavtryck på vår planet. Detta beror på att de kommer från växter, alger och andra återväxande rikliga råvaror. Dock, de involverade processerna är komplexa, och för att få rätt egenskaper i de producerade materialen, många utmanande – men också stimulerande – frågor inom såväl kemi som fysik måste besvaras.

Flytande kristall spelar verkligen roll

I två artiklar som just publicerats i prestigefyllda tidskrifter Angewandte Chemie och kommunikationsmaterial, respektive, gruppen för experimentell mjuk materiafysik, ledd av prof. Jan Lagerwall vid institutionen för fysik och materialvetenskap vid universitetet i Luxemburg, presenterar betydande steg framåt för att lösa några av de enastående forskningsfrågorna som står mellan den rikliga cellulosaresursen generöst tillhandahålls av Moder Natur och de avancerade material vi hoppas kunna härleda från den. Båda artiklarna sammanfattar forskning finansierad av Luxemburgs nationella forskningsfond FNR (projekt COReLIGHT, SSh och MISONANCE).

I den första tidningen, Emmanouil Anyfantakis, postdoktor vid universitetet i Luxemburg, och kollegor presenterar ett radikalt nytt sätt att bearbeta HPC-lösningar, så att de kan förberedas och manipuleras i låga koncentrationer där de flyter lätt. När de väl har fått sin målform – här en ungefär millimeterstor sfär kallad "flytande kristallmarmor" – ökar koncentrationen på ett mycket kontrollerat sätt genom att låta överflödigt vatten diffundera in i ett omgivande organiskt lösningsmedel, som kan återanvändas efter processen. De flytande kristallkulorna uppvisar slående optiska egenskaper tack vare arrangemanget av HPC i en helixstruktur med period i samma skala som våglängden för synligt ljus.

"Anmärkningsvärt nog, denna typ av strukturell färg ses genom hela marmorn, vilket inte är vad man förväntar sig för denna typ av flytande kristaller i sfärisk form, och färgen kan ställas in genom hela det synliga spektrumet, från violett till rött. Vi har visat att kulorna kan användas som icke-elektroniska (och därför autonoma, dvs inget batteri eller annan strömkälla behövs) sensorer för många olika stimuli, inklusive temperatur, mekanisk deformation och förekomsten av giftiga kemikalier. Till exempel, en HPC-marmor med flytande kristaller som ursprungligen förbereddes för grön färg skiftar till rött och förlorar slutligen sin färg när den exponeras för den giftiga alkoholen metanol, " förklarar Emmanouil Anyfantakis.

I den andra tidningen, Prof. Jan Lagerwall och hans tidigare doktorand Camila Honorato-Rios, nu FoU-ingenjör vid Luxembourg Institute of Science and Technology (LIST), har fokuserat på ren cellulosa, här i form av cellulosa nanokristaller (CNC). Dessa är nanorods av kristallin cellulosa som är några hundra nanometer långa och cirka 5-10 nanometer breda. Även CNC bildar en flytande kristallfas i vatten med stavarna organiserade i en spiralformad struktur. CNC är ett av de hetaste nanomaterialen idag, eftersom de är hållbart producerade och kan vara mycket användbara på egen hand såväl som i kompositer. Tyvärr, deras produktionsmetoder gör att nanoroderna är mycket spridda i längd, dvs. varje CNC-batch innehåller många långa såväl som många korta stavar.

"I tidningen, we have shown that this length dispersity is one of the main reasons for the many problems in processing CNC suspensions and obtaining materials with uniform properties, because long- and short-rod suspensions have very different viscosities and the period of the liquid crystal helix gets shorter the longer the rod. The dispersity of lengths therefore mixes CNCs that would need to be processed on very different time scales, and when they are transferred into solid films that should benefit from the liquid crystalline order, they are broken up into mosaic-like brittle structures because of the competition between short and long rods to organize into long- and short-period helices, respektive, " explains Camila Honorato-Rios.

Viktigt, the authors also provide the solution. Camila Honorato-Rios and Jan Lagerwall show that the phase separation between the liquid crystal phase and an ordinary disordered liquid, spontaneously taking place in CNC suspensions, can be used to fractionate CNC suspensions according to length. By using separatory funnels, a standard component of any chemistry lab, they divide the disperse CNC suspensions into individual fractions, each of which has a much narrower length distribution. This allows them, för första gången, to study the behavior of long, medium and short CNCs individually. This way they produce solid films showing uniform and controlled structural color, without the mosaic texture. "Because the technique is easily scalable, this can be a game changer for the industrial exploitation of CNC. Following the fractionation procedure, CNC producers can provide samples with much lower dispersity, allowing customers to use this remarkable new, sustainably produced, nanomaterial in a way that maximizes its performance, " comments Prof. Jan Lagerwall with enthusiasm.