Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Dynamics of Cellulose-Water Interfaces: NMR Spin-Lattice Relaxation Times Calculated from Atomistic Computer Simulations
KTH, Skolan för kemivetenskap (CHE), Fiber- och polymerteknologi. (Biokompositer)
KTH, Skolan för kemivetenskap (CHE), Fiber- och polymerteknologi.ORCID-id: 0000-0001-6732-2571
STFI-PACKFORSK AB.ORCID-id: 0000-0001-9176-7116
CERMAV-CNRS.
Visa övriga samt affilieringar
2008 (Engelska)Ingår i: Journal of Physical Chemistry B, ISSN 1520-6106, E-ISSN 1520-5207, Vol. 112, nr 9, s. 2590-2595Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

Solid-state nuclear magnetic resonance (CP/MAS 13C NMR) spectroscopy has often been used to study cellulose structure, but some features of the cellulose NMR spectrum are not yet fully understood. One such feature is a doublet around 84 ppm, a signal that has been proposed to originate from C4 atoms at cellulose fibril surfaces. The two peaks yield different T1, differing by approximately a factor of 2 at 75 MHz. In this study, we calculate T1 from C4-H4 vector dynamics obtained from molecular dynamics computer simulations of cellulose Iβ-water interfacial systems. Calculated and experimentally obtained T1 values for C4 atoms in surface chains fell within the same order of magnitude, 3-20 s. This means that the applied force field reproduces relevant surface dynamics for the cellulose-water interface sufficiently well. Furthermore, a difference in T1 of about a factor of 2 in the range of Larmor frequencies 25-150 MHz was found for C4 atoms in chains located on top of two different crystallographic planes, namely, (110) and (10). A previously proposed explanation that the C4 peak doublet could derive from surfaces parallel to different crystallographic planes is herewith strengthened by computationally obtained evidence. Another suggested basis for this difference is that the doublet originates from C4 atoms located in surface anhydro-glucose units with hydroxymethyl groups pointing either inward or outward. This was also tested within this study but was found to yield no difference in calculated T1.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Washington: ACS Publications , 2008. Vol. 112, nr 9, s. 2590-2595
Nyckelord [en]
cellulose-water interface, spin-lattice relaxation times, molecular dynamics
Nationell ämneskategori
Fysikalisk kemi Polymerkemi
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:kth:diva-9475DOI: 10.1021/jp074641tISI: 000253511900006Scopus ID: 2-s2.0-41549090192OAI: oai:DiVA.org:kth-9475DiVA, id: diva2:114134
Anmärkning

QC 20100618

Tillgänglig från: 2008-11-17 Skapad: 2008-11-06 Senast uppdaterad: 2017-12-14Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. Crystalline cellulose in bulk and at interfaces as studied by atomistic computer simulations
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Crystalline cellulose in bulk and at interfaces as studied by atomistic computer simulations
2008 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

Cellulose is a linear polysaccharide, serving as reinforcement in plant cell walls.Understanding its structure and properties is of importance in the developmentof nanostructured cellulose materials. The aim of this thesis is to address thisquestion by applying the computer simulation technique Molecular Dynamics(MD) onto an atomistic model of a native crystal form of cellulose.A molecular model of crystalline cellulose Iβ was developed and simulatedwith the GROMACS simulation software package.Temperature dependence of the crystal bulk model was investigated. A gradualtransition was observed between 350 K and 500 K in concordance with experimentalresults. The high temperature structure differed from the originalstructure in terms of crystal cell parameters, hydrogen bonding network andelastic modulus.Spin-lattice relaxation times, T1, from solid-state Nuclear Magnetic Resonancespectroscopy were compared with values calculated from the dynamics ofthe C4-H4 vector in MD simulations. Calculated T1 compared well with experimentallyobtained, suggesting well reproduced dynamics. Moreover, a differencein T1 of about a factor 2 was found for C4 atoms at surfaces parallel to differentcrystallographic planes. This supports a proposed explanation regarding anobserved doublet for C4 atoms in the NMR spectrum.Interaction energies between crystalline cellulose and water and 6− hydroxyhexanal(CL) were determined from simulations. Water was found to interactstronger with cellulose than CL. Moreover, the effect of grafting CL onto surfacecellulose chains was examined. For both water and CL interfaces, grafting ledto increased interaction. Electrostatic interactions were dominating in all cases,however grafting increased the importance of van der Waals interactions.The experimental approach to investigate polymer desorption by pulling itfrom a surface by the use of Atomic Force Microscopy (AFM) was enlightenedwith a modelling study. A single cellulose octamer was pulled from a cellulosecrystal into water and cyclohexane. Resulting pull-off energies proved a clearsolvent effect, 300 − 400 [kJ/mole] in cyclohexane and 100 − 200 [kJ/mole] inwater.In general, MD was shown to be useful when applied in combination withfeasible experimental techniques such as NMR and AFM to increase the fundamentalunderstanding of cellulose structure and properties.

Abstract [sv]

Cellulosa förstärker cellväggen i växter i form av nanostrukturerade och mycketstarka fibriller. För utvecklingen av nya cellulosamaterial från dessa fibriller ären förståelse för cellulosans struktur och egenskaper viktig. Syftet med dennaavhandling är att med hjälp av en atomistisk modell och molekyldynamiskadatorsimuleringar (MD) öka kunskapen om cellulosa på atomär nivå.En atomistisk modell av kristallin cellulosa Iβ utvecklades och simuleradesmed simuleringsprogrampaketet GROMACS.Temperaturberoendet hos kristallin cellulosa i bulk undersöktes. Mellan350 K och 500 K skedde en gradvis kristallin strukturomvandling. Vid högre temperaturhade cellulosan annorlunda kristall-enhetscellsparametrar, vätebindingsmönsteroch elastisk modul jämfört med orginalstrukturen.Systemet cellulosa-vatten har stor praktisk betydelse. Spinn-gitter-relaxationstiderT1 beräknades därför från dynamiken hos C4-H4-vektorn i MD-simuleringaroch jämfördes med värden uppmätta med fastfas-NMR. De beräknadevärdena stämde väl överens med de experimentella och dynamiken vid ytan kanantas vara välreproducerad i modellen. Dessutom kunde en skillnad i T1 meden faktor 2 för C4-atomer på ytkedjor vid olika kristallografiska plan påvisas.Simuleringsresultaten stödjer därmed en tidigare föreslagen förklaring till endubblett för C4-atomer i cellulosans NMR-spektrum.Växelverkansenergier mellan cellulosa och polymeren PCL är intressant förnanokompositmaterial. Därför bestämdes växelverkansenergier mellan kristallincellulosa och vatten och cellulosa och 6-hydroxyhexanal (CL). Växelverkan mellancellulosa med vatten visade sig vara större än mellan cellulosa och CL.Ympning av CL-molekyler på cellulosaytan ledde till ökad växelverkan för såvälgränsytor mot vatten som mot CL. Elektrostatisk växelverkan dominerade vidsamtliga gränsytor, även om CL-ympning orsakade ökad andel av van der Waalskrafter.Polymerdesorption kan undersökas med hjälp av atomkraftmikroskopi (AFM).Ett simulerat experiment med MD utfördes därför genom att en cellulosaoktamerdrogs från en cellulosayta in i vatten eller cyklohexan. Det krävdes avsevärtmindre energi att dra loss oktameren i cyklohexan (300−400 kJ/mol) jämförtmed vatten (100 − 200 kJ/mol). Resultaten analyserades i termer av specifikväxelverkan mellan cellulosaoktameren och identifierbara kemiska grupper påcellulosaytan.MD har stor potential att öka förståelsen för cellulosa på molekylär nivå.MD-simuleringar kan inspirera experimentella mätningar genom upptäckter avnya fenomen. MD kan dessutom tillföra nya aspekter vid analys av experimentellaresultat. Det har i avhandlingen demonstrerats för metoder som NMR,AFM, mekanisk provning och mätning av termisk utvidgning

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Stockholm: KTH, 2008. s. vi, 67
Serie
Trita-CHE-Report, ISSN 1654-1081 ; 2008:69
Nyckelord
Cellulose, molecular dynamics simulation, interfaces
Nationell ämneskategori
Kemi
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-9570 (URN)978-91-7415-166-4 (ISBN)
Disputation
2008-12-10, F3, KTH, Lindstedtsvägen 26, Stockholm, 10:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Anmärkning
QC 20100621Tillgänglig från: 2008-11-17 Skapad: 2008-11-17 Senast uppdaterad: 2012-02-23Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

Fulltext saknas i DiVA

Övriga länkar

Förlagets fulltextScopus

Personposter BETA

Wohlert, JakobLarsson, Per TomasBerglund, Lars

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Bergenstråhle, MalinWohlert, JakobLarsson, Per TomasBerglund, Lars
Av organisationen
Fiber- och polymerteknologi
I samma tidskrift
Journal of Physical Chemistry B
Fysikalisk kemiPolymerkemi

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar

doi
urn-nbn

Altmetricpoäng

doi
urn-nbn
Totalt: 4655 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf