열 운동의 동결과 유사한 수성 현탁액에서 셀룰로오스 나노 결정 필름을 건조하는 동안 운동 정지

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21042(2022) 이 기사 인용

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셀룰로오스 포토닉스 및 광전자 응용 분야를 발전시키려면 셀룰로오스 나노결정(CNC)의 정렬 및 나선형 피치를 조작하여 셀룰로오스 필름의 무지개 빛깔을 제어하는 ​​방법에 대한 포괄적인 이해가 필요합니다. CNC의 수성 현탁액은 구조적 색상을 지닌 콜레스테릭 액정(LC) 상을 나타냅니다. 그러나 균일한 색상의 필름을 얻는 것은 극히 어렵습니다. 아마도 여러 상호 연관된 요인이 CNC 분자 정렬 및 나선형 피치에 영향을 미치기 때문에 기존 모델이 반드시 결정적인 것은 아니며 논쟁의 대상으로 남아 있습니다. 결국 균질하게 착색된 필름을 얻기 위해 우리는 열방성 액체 LC인 수성 CNC 현탁액을 열방성 액체 LC와 비교하고 분광학을 통해 CNC 액적의 착색이 주기적인 CNC 구조에서 비롯된다는 것을 확인합니다. 현탁 건조 공정은 CNC 필름의 무지개빛 품질에 큰 영향을 미칩니다. CNC 현탁액의 액적을 빠르게 건조시키면 공기 건조 필름에서 관찰되는 전형적인 커피 링 효과인 빨간색 가장자리와 파란색 중심이 있는 동심원의 무지개 필름이 형성됩니다. 대조적으로, 모세관 흐름을 감소시키는 조절된 습도 하에서의 느린 건조는 더 높은 균일성과 넓은 파란색 영역을 제공합니다. 고습도 하에서 건조하면서 필름을 궤도적으로 흔들면 균일성이 더욱 향상됩니다. 따라서 증발 속도는 구조 색상을 결정하는 CNC의 열역학적으로 안정화된 나선형 피치에 큰 영향을 미칩니다. 우리는 열방성 LC 및 기타 물질의 온도 변화 속도에 의해 유도된 것과 동일한 방식으로 유방성 LC의 빠른 증발에 의해 유도된 운동 정지를 정성적으로 모델링했습니다.

자연 나노광자 구조는 살아있는 생물에서 관찰되는 착색과 같은 자연에서 관찰될 수 있습니다1,2,3,4,5,6,7,8,9; 그러나 자연 구조와 동등한 폴리머와 같은 인공 재료를 제조하는 것은 나노 크기부터 거시적 길이까지 다양한 규모의 분자 순서를 제어한다는 측면에서 여전히 어려운 과제로 남아 있습니다. 놀랍게도 생물학의 자연 과정은 다양한 길이 규모에 걸쳐 섬세한 분자 질서와 무질서를 실현할 수 있습니다. 자기 조직화 특성을 활용하면서 생체 모방 고분자를 생성하는 것은 매우 중요합니다. 왜냐하면 자기 조직화 경로를 성공적으로 제어하는 ​​것이 예상되는 설계된 광학 특성을 지닌 나노 및 마이크로 구조 재료의 확장 가능한 조립을 실현하는 데 중요하기 때문입니다.

고부가가치 기능성 나노구조 소재인 셀룰로오스 나노결정(CNC)은 다양한 고유한 소재 기능을 제공하여 다양한 응용 분야에 적용할 수 있게 되었습니다. CNC를 사용하는 광전자 응용 분야의 가장 최근 발전 중 하나는 셀룰로오스 안료18이며, 이는 대규모 주문19으로 CNC 필름을 생산하는 데에도 사용되었습니다. 더 자세히 설명하면, 자체 조립된 CNC는 먼저 유화된 미세 액적 내에 갇혔습니다. 그런 다음 건조 과정에서 미세 액적은 용매 증발 및/또는 열 후처리로 인해 다중 좌굴 효과를 받을 가능성이 높습니다. 안료 분산액의 색상은 건조 중에 나노구조가 미세액적 내에서 수축되는 정도에 의해 발생하는 것으로 생각되었으며, 이러한 색상은 구조적 색상인 것으로 실험적으로 확인되었습니다.

일반적으로 CNC는 길이가 100~200nm이고 너비가 5~15nm인 가볍고 단단한 나노막대 모양의 거대분자로, 목화나 목재 펄프에서 생물자원을 얻을 수 있으며 안정적인 콜로이드 현탁액을 형성할 수 있습니다. 또한 임계 농도 이상에서는 콜레스테릭 액정(LC) 단계20,21로 자발적으로 자가 조립될 수 있습니다. 이 콜레스테릭 구조는 식물6에서 유래한 천연 셀룰로오스와 게22,23, 곤충3의 키틴 조직에서 흔히 발생합니다. 콜레스테릭 LC를 형성하는 CNC의 능력은 얇은 고체 필름24,25,26,27,28,29에서 착색을 조작하는 방법과 나노기술적 방법17,30,31,32을 사용하여 셀룰로오스 또는 무기 광자 센서를 구성하는 방법 측면에서 조사되었습니다. ,33. 또한 형광 분자 또는 플라즈몬 금 나노막대와 같은 도펀트를 콜레스테릭 구조에 통합하면 CNC 구조의 키랄성에 의해 유도된 광학 반응 외에도 순서가 위치인지 방향인지 여부와 같은 추가 제어 가능한 매개 변수가 발생합니다. ,37.