ChemSusChem：原子力显微镜结合分子动力学模拟研究木质素在有机-水混合溶剂中自组装机理

文章库 | 2022-07-21 20:19:52

人类对石化资源的过度依赖导致了资源短缺和许多环境问题。生物质是自然界中**的可再生有机碳资源，可以替代化石资源生产燃料、材料和化学品。木质素作为一种重要的生物质资源，具有丰富的库存。它是植物中**的芳香聚合物，具有很大的应用潜力。它已广泛应用于建筑、农业、能源、纺织等领域。近年来，由溶液自组装制备的木质素基纳米材料因其优异的物化性能、简单的合成方法和广泛的应用而备受关注。在纳米自组装过程中，木质素在良溶剂中的溶解和劣溶剂中的聚集是控制其产品性能的关键。从分子层面深入了解不同良溶剂和劣溶剂中木质素的溶解和团聚机制，准确控制木质素纳米材料的尺寸、结构和性能是亟待解决的问题之一。

*近，华南理工大学邱学青教授和钱勇研究员团队结合原子力显微镜力学模块和分子动力学模拟，深入揭示了不同有机物中的木质素-水混合溶剂系统中的溶解和聚集机制，指导木质素在混合溶剂系统中的可控纳米自组装。研究选择丙酮-水，四氢呋喃-水、乙醇-三种混合溶剂系统测试了不同比例的木质素-水混合溶剂中的溶解。水和三种有机溶剂作为木质素的劣溶剂很难溶解木质素，而混合溶剂(如丙酮:水 = 7:3)是木质素的良好溶剂。原子力显微镜对不同混合溶剂中木质素分子间作用力的定量测试结果表明，木质素在混合溶剂中的作用力远低于水和纯有机溶剂。进一步的分子间动力学模拟表明，有机溶剂和水分别有效地溶解了木质素的疏水官能团(如苯环、碳链)和亲水官能团(如羟基、醚键)，从而使木质素分子的各个部分形成溶剂层，避免木质素分子之间的密切接触，减少分子之间的作用力，使其完全溶解。通过调整有机溶剂/水的比例，它可以实现溶剂从良溶剂到劣溶剂的转化，使木质素的亲水或疏水部分去溶剂化，逐渐团聚，成功制备均匀的木质素正反纳米球。这项工作深入揭示了有机木质素-水混合溶剂中的溶解和聚集机制对木质素纳米材料的精密结构有重要的指导作用。