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          客觀日本

          日本原子能研究開發機構冷凍纖維素制成多孔凝膠材料,實現高強度

          2024年01月05日 化學材料

          日本原子能研究開發機構(JAEA)物質科學研究中心的關根由莉奈研究副主干、南川卓也研究員、廣井孝介研究副主干、杉田剛研究員、柴山由樹博士研究員,與豐橋技術科學大學、東京都立產業技術研究中心、明治大學通過共同研究發現,只需將木材粉碎后制成的纖維素納米纖維與極低濃度的氫氧化鈉混合后冷凍,再加入檸檬酸溶解,即可制成高強度多孔凝膠材料。關根副主干表示:“我認為利用冰晶空間進行化學反應材料的開發可以拓展到各個領域。希望將該技術拓展至資源再利用領域”。相關研究成果已發表在《Carbohydrate Polymers》上。

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          研究概要圖(供圖:日本原子能研究開發機構(JAEA))

          長期以來,構成木材的纖維素一直通過化學和物理加工用于化工產品和服裝等。然而,這需要大量的能源來破壞纖維素分子排列成的微觀層次結構。

          研究團隊著眼于利用水結冰時所產生的冰晶之間包圍的納米空間。將纖維素溶液冷凍后,纖維素分子不會被冰晶所吸納,而是在冰晶之間形成了致密的納米級纖維素凝聚層。在該凝聚層中,由于分子相鄰存在,形成了不同尋常的分子排列方式。

          此次研究發現,水溶液冷凍時在冰晶之間形成的納米空間內,氫氧化鈉發揮作用,將纖維素分子從類似于天然結構的平行排列的纖維素I相變為以反方向排列并通過氫鍵相連的纖維素II的結晶結構。隨后,通過在即將融化的水溶液中加入檸檬酸,向纖維素中導入羧基,使之與羥基之間形成氫鍵,即可產生網狀的晶體結構。這樣一來,就形成了堅固的凝膠。

          纖維素多孔凝膠材料,具有95%以上的空隙的高度多孔性,水和物質等可以從其孔隙中進出。

          原文:《科學新聞》
          翻譯:JST客觀日本編輯部

          【論文信息】
          雜志:Carbohydrate Polymers
          論文:Nanocellulose hydrogels formed via crystalline transformation from cellulose I to II and subsequent freeze cross-linking reaction
          DOI:doi.org/10.1016/j.carbpol.2023.121538