陈攀课题组：纳米纤维素分散机理研究方面取得新进展

jianchi

北京理工大学材料学院北京市纤维素及其衍生物工程中心陈攀研究员通过国际合作，联合瑞典皇家理工大学瓦伦堡木材科学中心Jakob Wohlert研究员和该校纤维和聚合物工程学院Lars Berglund教授，以及查尔姆斯理工大学Giada Lo Re副教授，在国际期刊《材料化学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》为题报道了纳米纤维素分散机理的研究进展，陈攀研究员为第一作者，北京理工大学为第一单位。

纳米纤维素

　　纤维素原纤丝表面的改性可分为物理改性和化学改性两种，通过改性阻止原纤丝之间的聚集是制备可分散纳米纤维素并利用纳米纤维素的重要工序。这份研究旨在阐明纳米纤维素经表面改性后，在水中或者非极性高分子基体中可分散性提高的分子机理。一般的理论认为，纳米粒子分散性的提高取决于两种相互作用之间的微妙平衡，一种是纳米粒子与纳米粒子之间的相互作用，另一种是纳米粒子与液体表面之间的相容性。对于表面添加疏水基团改性使得纳米纤维素变的更容易分散（并非已经可以分散），一般认为是改性增加了纤维素表面与溶剂或高分子基体之间的相容性，而不去（也无法）考虑纤维素-纤维素之间的内聚力在改性前后的变化。这篇文章采用“伞抽样”和“计算炼金术”分子动力学模拟技术，以表面醋酸化改性为例，计算了两种相互作用的表面自由能在改性前后的变化，从而分别定量了二者的贡献，阐明了表面改性对纤维素纳米化的内在机理。
　　具体地，分子动力学模拟研究发现，表面乙酰化后，相比未改性的纳米纤维素，其亲水性确实降低，但纤维素纤维之间的内聚力也降低，而且降低的程度大于其亲水度的降低程度。如果按照“从前“的想法，改性后的醋酸纳米纤维素变得疏水，其本应比未改性的纤维素更难于在水中分散，但事实却并非如此，这其中的原因是因为表面改性削弱了纳米纤维素之间的内聚力，而这种作用对纳米纤维素的分散也至关重要。因此，研究纳米粒子分散性的时候，需要关注粒子与溶剂或者基体界面之间的亲和性，也需要关注改性对粒子/粒子自身界面相互作用的改变。
　　这篇文章的创新点在于运用先进的“炼金术自由能”模拟，和“伞抽样”自由能计算相结合，第一次成功定量计算了表面改性对纳米纤维素内聚力的影响，并确定了其对纳米纤维素可分散性的重要性。“炼金术”自由能模拟是近年开发的，最先用来模拟基因突变对蛋白质结构的影响，从而导致蛋白质功能变化的一种新技术方法，纤维素表面羟基的化学改性可“类似于”氨基酸的突变，于是该方法的进一步开发可以被用来研究纤维素改性问题，而这种方法也可以用来适用于研究其他基团改性行为对纳米纤维素的可分散性的作用和影响，为制备更优异的纳纤体系提供理论指导；该方法也可用来处理其他纳米粒子的分散问题，具有可扩展性和一般性。
　　论文链接：https://doi.org/10.1039/D0TA09105G
　　该研究成果得到北京理工大学青年教师启动计划、北京市自然科学基金青年项目(2204096)和北理-白俄罗斯国际合作基金的支持和资助。


       文章来源：北京理工大学
       陈攀，北京理工大学材料学院，高分子科学博士，2013年 毕业于法国傅里叶大学-国家科学研究院植物大分子研究中心，致力于使用小角散射技术并开发分子模拟手段研究天然多糖的结构和物理性质。2009年在 天然高分子物理组张俐娜院士团队里获得硕士学位。同年10月前往法国傅里叶大学和法国国家科学研究中心的植物大分子研究所攻读博士，师从Yoshiharu Nishiyama博 士，Jean-Lux Putaux博士和Karim Mazeau博士， 研究课题为:纤维素的晶体结构和物理性质，在2013年6月 毕业。2014-2018年间，分别在法国国家研究院植物大分子研究中心，德国亚琛工业大学生物质能源精英团队，柏林马普所和美国橡树岭实验室,从事生物质能源和材料相关的博士后研究工作。2018年6月任瑞典皇家工学院木材科学研究中心研究员，2019年9月 加入北京理工大学。