Molecular simulations of crystalline cellulose interfacial interactions
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Chemical Engineering |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2025-03-21
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
74 + app. 54
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 48/2025
Abstract
Crystalline nanocellulose, especially cellulose nanocrystals (CNCs), is widely used in many fields, such as pharmaceutical and biomedicine materials, paper making and alimentation industries, in reinforcement of polymer composites, but also as support matrices and packaging materials. The interactions between CNC surfaces and other materials can influence the properties of CNCbased materials, which can widen the usage of CNC materials. In this thesis, CNC interactions with water, ions, and lignin-carbohydrate complexes (LCCs) are studied, since these interactions can heavily affect the properties of CNC materials but also the wood-like and wood-based materials. We first studied the interactions between CNC surfaces and Na+ and Cl- ions in water solutions. After that, the interactions between CNC surfaces and LCCs were studied. A very small amount of ions can affect CNC surface interactions strongly. In this thesis research, in a 0.6 %wt CNC solution, 0.25 mM NaCl in the solution was sufficient to significantly change the viscosity. Our results show that the presence of NaCl as ions can change the water dipole orientation, which influences the interactions between CNCs. The hydration layer ordering at the position of the ion can increase. The change at the binding sites is enough to change the interaction between CNC surfaces, affecting solution viscosity. This kind of water molecule orientation change can help merge the hydration layers of surfaces, which increases the connections of CNCs in solution. Thus the viscosity increased. The interactions between LCCs and CNCs are dependent on the CNC surface crystal facet. We examined simple model LCCs to obtain insight. The main driving force of interaction between hydrophilic CNC surfaces and the model LCCs was hydrogen bonding, with lignin playing a bigger role when the hemicellulose chains are short. For hydrophobic CNC surfaces, the interaction was more through van der Waals and dipole-dipole forces. In summary, interactions between CNC surfaces common in CNC solutions and in wood-like and wood-based materials are studied in this thesis. This can help understanding and control the properties of these materials. The findings may help product design in these fields to be more productive and environment-friendly.Kiteinen nanoselluloosa, ja etenkin selluloosan nanokiteet (CNC), on laajasti käytössä monilla aloilla, kuten lääke- ja biolääketieteen materiaaleissa, paperinvalmistuksessa ja elintarviketeollisuudessa, polymeerikomposiittien lujitteena sekä tukimatriisina ja pakkausmateriaalina. CNC-pintojen ja muiden materiaalien väliset vuorovaikutukset voivat vaikuttaa CNC-pohjaisten materiaalien ominaisuuksiin, mikä laajentaa niiden käyttömahdollisuuksia. Tässä väitöskirjassa tutkitaan CNC:n vuorovaikutuksia veden, ionien ja ligniinihiilihydraattikompleksien (LCC) kanssa, sillä nämä vuorovaikutukset voivat merkittävästi vaikuttaa CNC-materiaaleihin, mutta myös puumaisiin ja puupohjaisiin materiaaleihin. Ensimmäiseksi tutkimme CNC-pintojen ja Na+- ja Cl--ionien välisiä vuorovaikutuksia vesiliuoksessa. Tämän jälkeen tutkimme CNC-pintojen ja LCC-yhdisteiden välisiä vuorovaikutuksia. Tutkimustulokset osoittavat, että jo hyvin pieni ionimäärä voi vaikuttaa merkittävästi CNC-pintojen välisiin vuorovaikutuksiin. Tässä tutkimuksessa havaittiin, että 0,25 mM NaCl 0,6 %wt CNCliuoksessa riitti muuttamaan viskositeettia merkittävästi. Tulokset osoittavat, että Na+- ja Cl—ionien läsnäolo voi muuttaa veden dipoliorientaatiota, mikä vaikuttaa CNC:n välisiin vuorovaikutuksiin. Hydrataatiokerroksen järjestäytyminen ionien kohdalla voi lisääntyä. Eri sitoutumiskohdat CNCpinnoilla vaikuttavat CNC-pintojen välisiin vuorovaikutuksiin ja edelleen liuoksen viskositeettiin. Tämä veden molekyylien orientaatiomuutos voi edistää pintojen hydrataatiokerrosten yhdistymistä, mikä lisää kiteisen nanoselluloosan välistä vuorovaikutusta liuoksessa ja siten kasvattaa viskositeettia. LCC-yhdisteiden ja CNC:n väliset vuorovaikutukset ovat riippuvaisia CNC-pinnan kidetasosta. Tutkimme yksinkertaisia LCC-malleja saadaksemme tarkempaa tietoa. Hydrofiiilisten CNCpintojen ja LCC-mallien välinen vuorovaikutus perustui pääasiassa vetysidoksiin, joissa ligniinin rooli korostui silloin, kun hemiselluloosaketjut olivat lyhyitä. Hydrofobisilla CNC-pinnoilla vuorovaikutus tapahtui ensisijaisesti van der Waalsin ja dipoli-dipoli -voimien välityksellä. Tässä väitöskirjassa tutkittiin CNC-pintojen välisiä vuorovaikutuksia. Näitä esiintyy sekä CNCliuoksissa että puupohjaisissa materiaaleissa. Tulokset voivat edistää selluloosapohjaisten materiaalien ominaisuuksien ymmärtämistä ja hallintaa. Löydökset voivat myös auttaa tuotteiden suunnittelussa, mikä voi lisätä tuotannon tehokkuutta ja ympäristöystävällisyyttä.Description
Supervising professor
Sammalkorpi, Maria, Prof., Aalto University, Department of Chemistry and Materials Science, FinlandThesis advisor
Tolmachev, Dmitry, Dr., Aalto University, Department of Chemistry and Materials Science, FinlandVuorte, Maisa, Dr., Tampere University, Finland
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Suvi Arola, Zhennan Kou, Bart J. M. Rooijakkers, Rama Velagapudi, Maria Sammalkorpi & Markus B. Linder. On the mechanism for the highly sensitive response of cellulose nanofiber hydrogels to the presence of ionic solutes. Cellulose, Volume 29, pages 6109–6121, 2022.
Full text in Acris/Aaltodoc: https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202208104582DOI: 10.1007/s10570-022-04664-w View at publisher
-
[Publication 2]: Zhennan Kou, Dmitry Tolmachev, Maisa Vuorte & Maria Sammalkorpi. Interactions of NaCl with cellulose Iβ crystal surfaces and the effect on cellulose hydration: a molecular dynamics study. Cellulose, Volume 31, pages 4115–4129, 2024.
DOI: 10.1007/s10570-024-05831-x View at publisher
-
[Publication 3]: Zhennan Kou, Dmitry Tolmachev, Maisa Vuorte & Maria Sammalkorpi. Component size dependent lignin-carbohydrate complex adsorption at crystalline cellulose surfaces. Cellulose, Volume 32, pages 983-997, 2025.
DOI: 10.1007/s10570-024-06329-2 View at publisher