北理工在納米纖維素分散機理研究方面取得新進展
北京理工大學材料學院北京市纖維素及其衍生物工程中心陳攀研究員通過國際合作，聯(lián)合瑞典皇家理工大學瓦倫堡木材科學中心Jakob?Wohlert研究員和該校纖維和聚合物工程學院Lars?Berglund教授，以及查爾姆斯理工大學Giada Lo Re副教授，在國際期刊《材料化學A》?(Journal of Materials Chemistry A, IF:11.3)上以《Surface modification effects on nanocellulose – molecular dynamics simulations using umbrella sampling and computational alchemy》為題報道了納米纖維素分散機理的研究進展，陳攀研究員為第一作者，北京理工大學為第一單位。
纖維素原纖絲表面的改性可分為物理改性和化學改性兩種，通過改性阻止原纖絲之間的聚集是制備可分散納米纖維素并利用納米纖維素的重要工序。這份研究旨在闡明納米纖維素經(jīng)表面改性后，在水中或者非極性高分子基體中可分散性提高的分子機理。一般的理論認為，納米粒子分散性的提高取決于兩種相互作用之間的微妙平衡，一種是納米粒子與納米粒子之間的相互作用，另一種是納米粒子與液體表面之間的相容性。對于表面添加疏水基團改性使得納米纖維素變的更容易分散（并非已經(jīng)可以分散），一般認為是改性增加了纖維素表面與溶劑或高分子基體之間的相容性，而不去（也無法）考慮纖維素-纖維素之間的內(nèi)聚力在改性前后的變化。這篇文章采用“傘抽樣”和“計算煉金術(shù)”分子動力學模擬技術(shù)，以表面醋酸化改性為例，計算了兩種相互作用的表面自由能在改性前后的變化，從而分別定量了二者的貢獻，闡明了表面改性對纖維素納米化的內(nèi)在機理。
具體地，分子動力學模擬研究發(fā)現(xiàn)，表面乙?；?，相比未改性的納米纖維素，其親水性確實降低，但纖維素纖維之間的內(nèi)聚力也降低，而且降低的程度大于其親水度的降低程度。如果按照“從前“的想法，改性后的醋酸納米纖維素變得疏水，其本應(yīng)比未改性的纖維素更難于在水中分散，但事實卻并非如此，這其中的原因是因為表面改性削弱了納米纖維素之間的內(nèi)聚力，而這種作用對納米纖維素的分散也至關(guān)重要。因此，研究納米粒子分散性的時候，需要關(guān)注粒子與溶劑或者基體界面之間的親和性，也需要關(guān)注改性對粒子/粒子自身界面相互作用的改變。
這篇文章的創(chuàng)新點在于運用先進的“煉金術(shù)自由能”模擬，和“傘抽樣”自由能計算相結(jié)合，第一次成功定量計算了表面改性對納米纖維素內(nèi)聚力的影響，并確定了其對納米纖維素可分散性的重要性。“煉金術(shù)”自由能模擬是近年開發(fā)的，最先用來模擬基因突變對蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的影響，從而導致蛋白質(zhì)功能變化的一種新技術(shù)方法，纖維素表面羥基的化學改性可“類似于”氨基酸的突變，于是該方法的進一步開發(fā)可以被用來研究纖維素改性問題，而這種方法也可以用來適用于研究其他基團改性行為對納米纖維素的可分散性的作用和影響，為制備更優(yōu)異的納纖體系提供理論指導；該方法也可用來處理其他納米粒子的分散問題，具有可擴展性和一般性。
論文鏈接：https://doi.org/10.1039/D0TA09105G
該研究成果得到北京理工大學青年教師啟動計劃、北京市自然科學基金青年項目(2204096)和北理-白俄羅斯國際合作基金的支持和資助。
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