材料設計指針の構築を目指したセルロース結晶の表界面における分子論的描像の解明

阐明纤维素晶体表面界面的分子理论图，旨在建立材料设计指南

基本信息

批准号：
16J10411
负责人：
宇都卓也
金额：
$ 2.83万
依托单位：
University of Miyazaki (2018)Kagoshima University (2016-2017)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2016
资助国家：
日本
起止时间：
2016-04-22 至 2019-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

最近、構造多糖を溶解するイオン液体に注目がされている。異なるイオン液体のセルロースやキチンに対する溶解性を関連づけるために、イオン液体中におけるセルロース・キチン溶解の分子動力学計算を実施した。その結果、イオン液体のカチオンとアニオンが協同的にセルロース・キチンの分子間水素結合を切断する溶解過程を観察した。特に、界面に存在する臭化物イオンがキチン溶解に寄与することが計算によって示唆されたため、微量の臭化物イオン存在下でもキチン溶解性が向上することを実験によって検証した。また、水素結合切断量と実際のセルロース・キチン溶解度が強く相関し、文献情報の無いイオン液体の溶解度を予測した。さらに、多糖材料の高次構造制御に関する体系的な理解を目的として、イオン液体中でのキサンタンガムのダイナミクス挙動や、臭化カルシウム二水和物/メタノール溶液中でのキチン溶解現象について計算化学的手段により解析した。また、セルロースの結晶構造を3次元分解した分子鎖シートモデルに対して、密度汎関数理論計算を適用した。その結果、天然セルロース繊維について、長年議論されてきた変形特性の要因が、Iα型(110)/Iβ型(100)面の平面状分子鎖シートに由来することを明らかにした。天然型セルロース結晶のアミン処理によって得られるⅢ型結晶構造（100）面由来の孤立分子鎖シートモデルがナノチューブ形態に変化することを以前に観察した。本年度は、シクロヘキサンおよび酢酸エチル中でのセルロースナノチューブ（CelNT）モデルの立体構造安定性を評価した。実験的にセルロース分子鎖をチューブ状に自己組織化させ、CelNT構造を創製することは容易でないと推定されるが、提案したチューブ構築原理は、疎水性表面を持つセルロースの様々なナノ構造体設計へと展開しうるものと期待される。

最近，人们的注意力集中在溶解结构多糖的离子液体上。为了将不同离子液体与纤维素和甲壳素的溶解度联系起来，我们对纤维素和甲壳素在离子液体中的溶解进行了分子动力学计算。结果，我们观察到离子液体的阳离子和阴离子协同破坏纤维素和甲壳素分子间氢键的溶解过程。特别是，由于计算表明界面处存在的溴离子有助于甲壳素的溶解，因此实验证实，即使存在痕量的溴离子，甲壳素的溶解度也会提高。此外，氢键断裂的量与纤维素和甲壳素的实际溶解度密切相关，我们预测了没有文献信息的离子液体的溶解度。此外，为了系统地了解多糖材料的高阶结构控制，我们利用计算化学方法研究了黄原胶在离子液体中的动态行为以及甲壳素在二水溴化钙/甲醇溶液中的溶解现象。。此外，密度泛函理论计算应用于分子链片模型，该模型是纤维素晶体结构的三维分解。结果表明，多年来一直争论的天然纤维素纤维的变形性能背后的因素源于Iα型（110）/Iβ型（100）平面的平面分子链片。我们之前观察到，通过对天然纤维素晶体进行胺处理获得的III型晶体结构（100）平面衍生的孤立分子链片模型转变为纳米管形态。今年，我们评估了纤维素纳米管（CelNT）模型在环己烷和乙酸乙酯中的构象稳定性。尽管推测通过实验将纤维素分子链自组装成管状并创建CelNT结构并不容易，但所提出的管构造原理可用于设计具有疏水表面的各种纤维素纳米结构。扩展为