Cellulose er et av de vanligste biomaterialene i naturen. Den finnes blant annet i alle verdens trær og planter, i noen sjødyr og i bakterier. I trær gir cellulose og lignin god mekanisk styrke, som gjør at trær kan stå oppreist, selv om de er over 100 meter (slik som verdens høyeste tre – Hyperion). Cellulose er allsidig! Det har styrken til Kevlar (som finnes i skuddsikre vester) og kan brukes i både klær, bleier, elektronikk og mat – for å nevne noe. For et tre er det mange nivåer med hierarkiske strukturer som påvirker disse mekaniske egenskapene, dette er illustrert i Figur 1. I denne teksten fokuserer vi på nanocellulose.
Likhetstrekk mellom plast og cellulose
Strukturelt er det mange likhetstrekk mellom cellulose og plast, og for stadig flere bruksområder er cellulose nå langt på vei i ferd med å erstatte tradisjonell oljebasert plastikk. Dette er godt nytt blant annet for livet i havet, der cellulose har den fordelen at det kan brytes ned relativt raskt og gi næring til andre organismer. Det er dessuten en ressurs som vokser på trær.
Hvorfor løse opp cellulose?
I naturen finnes cellulose bare i bunter av lange cellulosekjeder. Buntene er sterke, men lite fleksible. I mange tilfeller hadde det vært nyttig å kunne løse opp bunter til enkeltkjeder, slik at man kan skreddersy nye cellulosebaserte materialer fra bunnen av. Dette gjelder særlig når en ønsker å erstatte plast for blant annet innpakning og tekstiler. Men oppløsningen er komplisert og vanskelig, og krever et løsemiddel. Løsemidlene er dessuten til dels farlige, og er vanskelig å fjerne etter oppløsning av cellulose.
Forskning
Derfor foregår det nå mye forskning på hvordan man kan løse opp cellulose på best mulig måte. Björn Lindman, som er en av de ledende forskerne innen feltet, har i lang tid hevdet at oppløsningsegenskapene til cellulose domineres av de vannavstøtende effektene vi kaller hydrofobe interaksjoner, men dette er svært vanskelig å bekrefte eksperimentelt.
Til tross for at vi mangler en god forklaringsmodell for oppløsningsprosessen er det mange ulike løsemidler som har vist seg å være effektive, blant annet natriumhydroksid (bedre kjent som lut) og urea, organiske løsemidler og ioniske væsker. I vårt studium har vi fokusert på natriumhydroksid og urea, som er to relativt sett miljøvennlige kjemikalier. Vi har prøvd å forstå virkemåten til dette løsemiddelet bedre. Dette legger grunnlaget for videre optimalisering av denne metoden.
Simuleringer på atomnivå gir ny kunnskap
For å forstå virkemåten til løsemiddelet utførte vi simuleringer med molekylærdynamikk, der vi løser Newtons bevegelsesligninger for hvert atom. Dette gjør at vi kan studere interaksjonene mellom cellulose og løsemidlet på atomnivå, og vi får «filmer» som viser oppløsningsprosessen. For cellulosebuntene i løsningsmiddel så vi at buntene svellet opp, og at store mengder urea ble absorbert inn i bunten. Vi observerte også at løsningsmiddelet omringet og stabiliserte ark med cellulose. I rent vann kollapset cellulosearkene umiddelbart til bunter.
Kraftig omrøring må til
For å løse opp cellulose eksperimentelt må prøven utsettes for store skjærkrefter i form av kraftig omrøring, ettersom buntene i seg selv er svært stabile strukturer, noe vi også observerte i våre simuleringer. Motivert av dette etterlignet vi omrøringsprosessen ved å utsette buntene for syklisk strekking og komprimering. I vann dannet det seg da ark med cellulose, som er bundet sammen med hydrofobiske interaksjoner. I løsningsmiddelet fikk vi derimot enkeltkjeder, som vi ønsket. Dette fremhever den stabiliserende funksjonen til urea i løsningsmiddelet, og viser viktigheten av de hydrofobe interaksjonene. Denne oppløsningsprosessen er illustrert i Figur 2.
Ett skritt nærmere
Arbeidet vårt underbygger hypotesen til Lindman. Vår bekreftelse av de hydrofobiske interaksjonenes betydning og den nye innsikten om ureas rolle i løsemiddelet bringer oss ett skritt nærmere en forståelse av oppløsningsprosessen og videre optimalisering av dagens metoder
Referanser
- Bering, E., Torstensen, J. Ø., Lervik, A., & de Wijn, A. S. (2022). Computational study of the dissolution of cellulose into single chains: the role of the solvent and agitation. Cellulose.
- Menashe, O., Peters, B., Sain, M., & Processing, B. (2020). Cellulosic Architecture. Anthropologic: Architecture and Fabrication in the Cognitive Age – Proceedings of the 38th ECAADe Conference, 1, 593–600.
- Lindman, B., Karlström, G., & Stigsson, L. (2010). On the mechanism of dissolution of cellulose. Journal of Molecular Liquids, 156(1), 76–81.
Blogginnlegget er skrevet av Eivind Bering, forsker ved Institutt for fysikk, i samarbeid med
- Anders Lervik, førsteamanuensis ved institutt for kjemi.
- Jonathan Torstensen, jobbet med nanocellulose ved RISE PFI da dette arbeidet pågikk. Han har en PhD fra NTNU innen nanocellulose og membranteknologi og CO2 fangst, og er i dag førsteamanuensis ved Høgskulen på Vestlandet.
- Astrid Silvia de Wijn, professor ved Institutt for maskinteknikk og produksjon.