Die Untersuchung der Grundlagen von Wasser als Lösungsmittel könnte zu umweltfreundlicheren Produkten führen

Wasser ist nicht nur ein universelles Lösungsmittel, das von seinen Wechselwirkungen unberührt bleibt. Neue Veröffentlichungen der North Carolina (NC) State University zeigen, dass Wasser seine Löslichkeitseigenschaften ändern kann, je nachdem, womit es interagiert. Insbesondere wenn Wasser mit Zellulose interagiert, kann es sich in geschichteten Schalen stapeln, um chemische Reaktionen innerhalb des Materials und dessen physikalische Eigenschaften zu steuern. Die Arbeit hat Auswirkungen auf ein nachhaltigeres und effizienteres Design von Produkten auf Zellulosebasis.

„Zellulose ist das weltweit am häufigsten vorkommende Biopolymer und wird in Anwendungen verwendet, die von Bandagen bis hin zu Elektronik reichen“, sagt Lucian Lucia, Professor für Waldbiomaterialien und Chemie an der NC State und korrespondierender Autor voneine neue Studie in der Materie. „Aber die Zelluloseverarbeitung erfolgte größtenteils durch Versuch und Irrtum, und bei einigen davon werden unglaublich aggressive Chemikalien eingesetzt. Um bessere Wege zur Zelluloseverarbeitung zu finden, müssen wir ihre grundlegendsten Wechselwirkungen verstehen – zum Beispiel mit Wasser.“

Zu diesem Zweck arbeitete er mit seinem Kollegen Jim Martin zusammen, Professor für Chemie an der NC State, der die grundlegenden Eigenschaften von Wasser als Lösungsmittel untersucht.

„Wasser hat die unheimliche Fähigkeit, seine Eigenschaften je nachdem, womit es in Berührung kommt, zu verändern, was ihm ein breites Spektrum an Löslichkeitseigenschaften verleiht“, sagt Martin. Martin ist der Autor eines Meinungsartikels in Matter, der Lucias Studie begleitet.

„Wir verändern die Beschaffenheit des Wassers durch das, was wir darin lösen, und durch die Konzentrationen dieser gelösten Stoffe im Wasser“, sagt Martin. „Denken Sie an das Kontinuum zwischen Kool-Aid und Bonbons. Sie beginnen mit Zucker. In Kool-Aid ist der Zucker vollständig gelöst. Wenn man das Wasser entfernt, entsteht Toffee, dann Bonbons und schließlich wieder kristalliner Zucker.“

„Wir wissen, dass Wasser für die Ablagerung von Zellulose von entscheidender Bedeutung ist“, sagt Lucia. „In dieser Studie haben wir daher untersucht, wie es sich orientiert und eine reaktive Rolle bei der Abschwächung oder Nutzung der Chemie spielt.“

Die Forscher manipulierten physikalisch verschiedene Arten von Holzfasern und untersuchten, wie sich Wasser an sich selbst und andere Moleküle innerhalb der resultierenden Strukturen bindet. Sie stellten fest, dass bei niedrigeren Wassergehalten die Wasserverteilung und die daraus resultierenden molekularen Wechselwirkungen zwischen dem Wasser und den Fasern Brückenstrukturen innerhalb des Materials erzeugen, die dazu führen, dass es an Flexibilität verliert.

Tatsächlich stellten sie fest, dass sich das Wasser im Zellulosenetzwerk „verstecken“ kann und starke Wasserstoffbrückenbindungen bildet. Diese Bindung bestimmt wiederum die Festigkeit oder Lockerheit der Überbrückungsstrukturen.

„Das Wasser bildet Hüllen um die Fasern, die sich stapeln können, wie eine nistende russische Puppe“, sagt Martin. „Je weniger Schalen oder Schichten, desto härter die Fasern. Aber wenn man mehr Schichten hinzufügt, entfernt sich die Verbindung zwischen den Fasern weiter und das Material wird weicher.“

Die Forscher hoffen, in zukünftigen Arbeiten die Vielfalt der Bindungen zu untersuchen, die Wasser innerhalb dieser Strukturen bildet.

„Die Untersuchung dieser Wechselwirkungen auf molekularer Ebene ebnet den Weg zur Manipulation von Wasser in Zellulose, um bessere Produkte und Prozesse zu entwickeln“, sagt Lucian. „Wenn wir verstehen, was auf der Grundlage grundlegender Prinzipien geschieht, können wir Ansätze entwerfen, die die Eigenschaften von Wasser für alles nutzen, von der Medikamentenverabreichung bis zum Entwurf von Elektronik.“

Der Forschungsartikel „Computational and Experimental Insights into the Molecular Architecture of Water-Cellulose Networks“ und der Leitartikel „Water under the Impact of Solutes: on the Non-Innocence of a Universal Solvent“ erscheinen beide am 3. Mai Ausgabe von Matter. Die Arbeit wurde teilweise von der National Science Foundation unterstützt. Der ehemalige NC State-Doktorand Kandoker Samaher Salem ist Erstautor der Forschungsarbeit. Zu den Co-Autoren gehören der ehemalige NC State-Doktorand Nelson Barrios und die derzeitigen NC State-Dozenten Hasan Jameel und Lokendra Pal.

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der North Carolina State University veröffentlicht