The need for high-end multifunctional materials from renewable resources has evolved given a rapidly increasing population and accompanying environmental concerns. Scalable assembly methods are and will be imperative in designing high-performance environmentally friendly materials, requiring new processes allowing control on all hierarchical levels. In this thesis, engineering concepts for manipulation of nanoscale components from biopolymeric resources have been applied to achieve extraordinary macroscale performance. The route chosen has been fluid-phase assembly as it is one of the most promising methods for producing large, ordered structures from nanoscale objects.

The thesis has three main parts; assembly of cellulose nanofibrils (CNFs) and fundamentals associated with the processing technique, the combination of CNFs with silk fusion proteins and finally the assembly of amyloid-like protein nanofibrils (PNFs). In the CNFs assembly part, we have pursued the challenge of transferring the full potential of CNFs to macroscale materials. CNFs are the most abundant structural elements in biological systems and have impressively high strength and stiffness, yet natural or man-made cellulose composites are much weaker than the CNFs. We fabricated nanocellulose fibers in pursuit of maximal mechanical performance by hydrodynamically controlling the structural ordering of nanofibrils, resulting in continuous fibers with mechanical properties higher than any natural or man-made macroscale biopolymeric material (Young’s modulus 86 GPa and a tensile strength 1.57 GPa). As the hydrodynamic assembly process is largely dependent on fundamental phenomenon controlling rotational and translational diffusion, we have applied a novel methodology based on birefringence allowing time-resolved in-situ investigations of diffusion and network dynamics of nanofibrils including effects of anisotropic orientation distributions.

Genetic engineering enables the synthesis of bioengineered silk fusion proteins that can serve as a foundation of new biomaterials. However, silk proteins are difficult to process and cannot be obtained in large quantities from spiders. By combining CNFs with recombinant spider silk proteins (RSPs) we have fabricated strong, tough and bioactive nanocomposites.   We demonstrate how small amounts of silk fusion proteins added to CNFs give advanced bio-functionalities unattainable to wood-based CNFs alone. Finally, flow-assisted assembly is applied to fabricate a material from 100% non-crystalline protein building blocks with whey protein, a mixture with β-lactoglobulin as the main component, which self-assemble into amyloid-like PNFs stabilized by hydrogen bonds. We show how conditions during the fibrillation process affect properties and morphology of the PNFs. Furthermore, we compare the assembly of whey PNFs of distinct morphologies and show that PNFs can be assembled into strong microfibers without the addition of plasticizers or crosslinkers.

Behovet av avancerade multifunktionella material från förnyelsebara råvaror ökar med en snabbt växande befolkning i världen och behovet av att värna om vår miljö. Skalbara framställningsprocesser är och kommer att vara avgörande för utformningen av dessa hållbara och miljövänliga material med hög prestanda, vilket kräver nya processer som möjliggör kontroll av materialens struktur på alla hierarkiska nivåer. I denna avhandling har ny teknologi för kontrollerad sammanfogning av nanokomponenter baserade på biopolymerer tillämpats för att uppnå extraordinära egenskaper på makroskopisk nivå. Den valda teknologin är baserad på strömningsmekanisk sammanfogning, vilket är en lovande metod för att kontinuerligt framställa makroskopiska strukturerade material från nanokomponenter.

Avhandlingen består av tre huvudspår; strömningsmekanisk sammanfogning av nanocellulosa (här syftar vi främst till cellulosananofibriller, CNF) och därtill associerade grundläggande frågeställningar kring processen kopplat till detta; framställning av material baserat på kombinationen av nanocellulosa med silkesproteiner och slutligen framställning av material bestående av amyloidliknande proteinnanofibriller (PNF). När det gäller sammanfogning av nanocellulosa har målet vara att förstå de förhållanden under vilka framställningen av makroskopiska material av CNF resulterar i materialegenskaper som förmår utnyttja de mekaniska egenskaperna hos nanokomponenterna. Nanocellulosa är det mest förekommande strukturella bio-baserade elementet på jorden och har en imponerande hög hållfasthet och styvhet, och naturliga och framställda cellulosamaterial har hittills varit mycket svagare än nanocellulosa. Genom att strömningsmekaniskt påverka hur nanocellulosan bildar nanostrukturen hos kontinuerliga fiberr, med målet om maximal mekanisk prestanda, har vi framställt fiberr som är starkare och styvare än något annat naturligt eller konstgjort biomaterial (elasticitetsmodul 86 GPa och draghållfasthet 1.57 GPa). Eftersom den strömningsmekaniska framställningsprocessen i stor utsträckning är beroende av grundläggande fenomen som rotationsdiffusion och nätverksgenerering av nanopartiklar, har vi även tillämpat en ny metod baserad på dubbelbrytning som möjliggör tidsbesparande in-situ karakterisering av rotationsdiffusion och nätverksdynamik för nanofibrillära komponenter, inklusive effekterna på anisotropa orienteringsfördelning.

Genteknik möjliggör syntes av silkesproteiner som kan tjäna som grund för nya biomaterial. Silkesproteiner är emellertid svåra att hanteras och kan bara erhållas i små mängder från spindlar. Genom att kombinera nanocellulosa med rekombinant spindelsilkeprotein har vi tillverkat starka, tåliga och bioaktiva nanokompositer. Vi visar hur små mängder silkesfusionsproteiner kan kombineras med nanocellulosa för att ge avancerad biofunktionalitet som inte kan uppnås med nanocellulosamaterial. Slutligen har den strömningsbaserade framställningsprocessen använts att tillverka material från 100% icke-kristallina byggstenar av vassleprotein. Dessa byggstenar består av en blandning med p-laktoglobulin som huvudkomponent, vilken självgenererar amyloidliknande proteinnanofibriller stabiliserade av vätebindningar. Vi visar hur förhållandena under fibrilleringsprocessen påverkar egenskaper och morfologin hos proteinnanofibrillerna. Slutligen framställs material av proteinnanofibriller med olika morfologier, där vi visar hur dessa kan sammanfogas i starka kontinuerliga fiberr utan tillsats av mjukgörare eller tvärbindande komponenter.

Dispersed non-spherical particles are the fundamental constituent of many complex fluids. Such fluids are studied both for their industrial and scientific importance, and for their peculiar functional properties (mechanical, optical, thermal, fluidic). One exemplar is cellulose nanofibrils (CNF), a biopolymer made of nanoscale particles with remarkable mechanical properties that has been found to be the potential candidate for the fabrication of sustainable and bio-compatible materials. To synthesize and characterise the behaviour of such non-spherical particles in flowing dispersions, microfluidic platforms have emerged as powerful tools. However, the scientific understanding of the fundamental role of the fluid dispersion properties and flow parameters on the microflow dynamics is still inadequate.  

In this thesis work, a combined numerical and experimental investigation with diverse set of microfluidic flow focusing devices are adopted to measure, analyse, and understand the micro-  and macro-scale morphologies of flowing dispersions. A high-viscosity colloidal dispersion liquid made of cellulose nanofibrils suspended in water (the solvent) is hydrodynamically focused with the low-viscosity solvent liquid. A 3D colloidal viscous thread structure is formed, which is characterized using optical coherence tomography (OCT) measurements and computational fluid dynamics (CFD) simulations. The studies show that if the Péclet number is large (diffusion of the particles is slower than the convective time scale of the flow), the concentration gradient between two in-homogeneous miscible fluids (colloidal dispersion and its own solvent) gives rise to Korteweg stresses, emulating the effect of interfacial tension in the form of effective interfacial tension (EIT). In addition, scaling laws describing the complex interplay between viscous, inertial and capillary effects in microchannels have been identified, and are in turn used to estimate the fluid properties.

Further, the collective behaviour of nanofibrils in the studied flow fields is investigated. Numerically modelled orientation distribution functions (ODF)  are compared with in-situ small angle X-ray scattering (SAXS) measurements. The calibrated SAXS-based digital twin model unveils complete 3D nanoparticle orientation both along the streamwise and cross-sectional planes of the channels. Overall, the key findings of this work open up possibilities in controlling the hydrodynamic assembly of nanoparticles in microchannels.

Icke-sfäriska nanopartiklar är den grundläggande byggstenen i många komplexa vätskor. Sådana vätskor studeras både på grund av deras industriella och vetenskapliga betydelse och på grund av deras intressanta egenskaper (mekaniska, optiska, termiska och fluidiska). Ett exempel på sådana partiklar är cellulosanofibriller (CNF), en biopolymer med anmärkningsvärda mekaniska egenskaper som har stor potential för tillverkning av hållbara och biokompatibla material. Ett kraftfullt verktyg för syntes och karakterisering av sådana icke-sfäriska partiklar i strömmande dispersioner är mikrofluidik, men den vetenskapliga förståelsen av partiklarnas och dispersionernas beteende i mikrofluidiksystem är fortfarande otillräcklig.  

I denna avhandling kombineras numeriska och experimentella metoder för att mäta, analysera och förstå flödande dispersioners makroskopiska och de ingående partiklarnas mikroskopiska beteende i olika strömningssituationer. Det specifika strömningsfall som studeras är strömningsfokusering: en högviskös kolloidal dispersion bestående av cellulosanofibriller i vatten fokuseras hydrodynamiskt av ett yttre flöde med rent vatten med låg viskositet i en kanal. Det kan då skapas högviskös "tråd" i kanalen. Detta flöde karakteriseras med hjälp av optisk koherenstomografi (OCT) och CFD-simuleringar (Computational Fluid Dynamics). Om Péclet-talet här stort (vilket betyder att partiklarnas diffusionshastighet är lägre än strömningshastigheten) ger koncentrationsgradienten mellan två homogena, blandbara  vätskor (kolloidal dispersion och dess eget lösningsmedel) upphov till Korteweg-spänningar, vilka kan modelleras med en effektiv ytspänning (EIT). Skalningslagar som beskriver de komplexa kopplingarna mellan effekter av viskositet, tröghet och ytspänning i mikrokanalen system har tagits fram, och skalningslagarna används i sin tur för att uppskatta vätskeegenskaperna.        

Även det kollektiva beteendet hos nanofibrillerna själva har studerats. Numeriskt modellerade orienteringfördelningar jämförs med in-situ röntgenspridningsmätningar (SAXS). Resultatet blir en experimentellt kalibrerad digital modell som avslöjar nanopartiklarnas 3D-orientering i hela systemet. Sammansatta gör resultaten i denna avhandling det möjligt att prediktera, optimera och kontrollera hydrodynamisk syntes av icke-sfäriska partiklar i olika kanalsystem.