Parada cinética durante a secagem de filmes de nanocristais de celulose de suspensões aquosas análogas ao congelamento de movimentos térmicos

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 21042 (2022) Citar este artigo

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É necessária uma compreensão abrangente do controle da iridescência dos filmes de celulose, manipulando o alinhamento e o passo helicoidal dos nanocristais de celulose (CNCs), para avançar a fotônica da celulose e suas aplicações optoeletrônicas. Suspensões aquosas de CNCs exibem uma fase de cristal líquido (LC) colestérico com cor estrutural; no entanto, obter um filme de cor uniforme é extremamente difícil. Presumivelmente, porque vários fatores inter-relacionados influenciam o alinhamento molecular do CNC e o passo helicoidal, os modelos existentes não são necessariamente conclusivos e permanecem um assunto de debate. Para eventualmente obter filmes de cores homogêneas, comparamos as suspensões aquosas de CNC como um líquido liotrópico LC com as termotrópicas e confirmamos espectroscopicamente que a coloração das gotículas de CNC se origina da estrutura periódica do CNC. O processo de secagem em suspensão influencia significativamente a qualidade da iridescência dos filmes CNC. A secagem rápida de uma gota de uma suspensão CNC forma um filme de arco-íris concêntrico, com bordas vermelhas e centro azul, típico do efeito de anel de café observado em filmes secos ao ar. Já a secagem lenta com umidade controlada, que reduz o fluxo capilar, proporciona maior uniformidade e grande área azul. A agitação orbital dos filmes durante a secagem sob alta umidade melhora ainda mais a uniformidade. Portanto, a taxa de evaporação influencia significativamente o passo helicoidal termodinamicamente estabilizado dos CNCs, que determina a cor estrutural. Modelamos qualitativamente a parada cinética induzida pela rápida evaporação de LCs liotrópicos de maneira equivalente àquela induzida pela taxa de mudança de temperatura em LCs termotrópicos e outros materiais.

Estruturas nanofotônicas naturais podem ser observadas na natureza, como a coloração observada em seres vivos1,2,3,4,5,6,7,8,9; no entanto, fabricar materiais artificiais, como polímeros, que sejam equivalentes a estruturas naturais continua sendo um desafio em termos de controle da ordem das moléculas em várias escalas de comprimentos nanoscópicos a macroscópicos10,11,12,13. Surpreendentemente, os processos naturais em biologia podem realizar uma delicada ordem e desordem molecular em várias escalas de comprimento. Criar polímeros biomiméticos enquanto utiliza sua natureza auto-organizada é de interesse significativo porque controlar com sucesso as rotas de auto-organização é crucial para realizar a montagem escalável de materiais nano e microestruturados com as propriedades ópticas projetadas esperadas.

Como materiais nanoestruturados funcionais de alto valor agregado, os nanocristais de celulose (CNCs) fornecem várias funções materiais únicas que nos levaram a empregá-los em uma ampla gama de aplicações13,14,15,16,17. Um dos avanços mais recentes em aplicações optoeletrônicas usando CNCs são os pigmentos de celulose18, que já foram usados ​​até mesmo para produzir filmes de CNCs com ordenação em larga escala19. Mais detalhadamente, os CNCs automontados foram primeiro confinados em microgotículas emulsionadas. Então, durante o processo de secagem, as microgotículas provavelmente foram submetidas a múltiplos efeitos de flambagem devido à evaporação do solvente e/ou pós-tratamentos térmicos. Acreditava-se que a cor das dispersões de pigmentos era causada pelo grau em que as nanoestruturas se contraíam dentro das microgotículas durante a secagem, e a coloração foi confirmada experimentalmente como sendo uma cor estrutural.

Em geral, os CNCs são macromoléculas leves e rígidas em forma de nanobastão com comprimentos de 100 a 200 nm e larguras de 5 a 15 nm que podem ser provenientes de algodão ou polpa de madeira e podem formar uma suspensão coloidal estável. Além disso, acima de uma concentração limite, eles podem se automontar espontaneamente em uma fase de cristal líquido (LC) colestérico20,21. Essa estrutura colestérica comumente ocorre na celulose natural derivada de plantas6 e tecidos de quitina de caranguejos22,23 e insetos3. A capacidade dos CNCs de formar LCs colestéricos foi investigada em termos de como manipular a coloração em filmes sólidos finos24,25,26,27,28,29 e como construir sensores fotônicos celulósicos ou inorgânicos usando métodos nanotecnológicos17,30,31,32 ,33. Além disso, a incorporação de dopantes como moléculas fluorescentes ou nanobastões de ouro plasmônico em estruturas colestéricas dá origem a um parâmetro controlável adicional, ou seja, se sua ordem é posicional ou orientacional, além de uma resposta óptica induzida pela quiralidade de estruturas CNC34,35,36 ,37.