研究水作为溶剂的基本原理可能会导致更环保的纤维素基产品
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水不仅仅是一种不受相互作用影响的通用溶剂。来自北卡罗莱纳州立大学的新出版物表明，水可以根据与之相互作用的物质改变其溶解度特征。具体来说，当水与纤维素相互作用时，它可以堆积成层状的壳，以控制材料内部的化学反应和物理性质。这项工作对更可持续和高效的纤维素基产品设计具有启示意义。
“纤维素是世界上最丰富的生物聚合物，它的应用范围从绷带到电子产品，”北卡罗来纳州森林生物材料和化学教授卢西恩·卢西亚(Lucian Lucia)说，他是《物质》杂志上一项新研究的通讯作者。“但纤维素加工主要是通过反复试验来完成的，其中一些使用了非常苛刻的化学物质。为了找到更好的方法来处理纤维素，我们需要了解它最基本的相互作用——例如，与水的相互作用。”
为此，他与同事吉姆·马丁合作，吉姆·马丁是北卡罗来纳州立大学的化学教授，研究水作为溶剂的基本性质。
马丁说:“水有一种不可思议的能力，可以根据它所含的物质改变特性，这使得它的溶解特性范围很广。”马丁在《物质》杂志上发表了一篇评论文章，这篇文章与露西亚的研究同时发表。
马丁说:“我们通过溶解在水中的物质以及水中溶质的浓度来改变水的性质。”想想Kool-Aid和硬糖之间的连续性。从糖开始。在Kool-Aid中，糖是完全溶解的。当你除去水，你得到太妃糖，然后是硬糖，然后回到结晶糖。”
露西亚说:“我们知道，水对纤维素的形成至关重要。”“因此，在这项研究中，我们探讨了它如何定位自己，并在减轻或利用化学反应方面发挥反应性作用。”
研究人员对不同类型的木纤维进行了物理处理，并观察了水是如何在所得结构中与自身和其他分子结合的。他们发现，在含水量较低的情况下，水的分布以及由此产生的水和纤维之间的分子相互作用在材料内部形成了桥接结构，导致材料失去柔韧性。
事实上，他们发现水可以“隐藏”在纤维素网络中，形成强大的氢键。这种结合反过来决定了桥接结构的紧密或松散。
“水在纤维周围形成贝壳，可以堆叠，就像一个筑巢的俄罗斯娃娃，”马丁说。“壳层越少，纤维就越硬。但是当你增加更多的层数时，纤维之间的连接变得更远，材料变得更柔软。”
研究人员希望在未来的工作中探索这些结构中水形成的各种键。
卢西恩说:“在分子水平上研究这些相互作用为控制纤维素中的水分来设计更好的产品和工艺铺平了道路。”“从基本原理上理解正在发生的事情，可以让我们设计出利用水的特性的方法，从药物输送到设计电子产品。”
研究论文“水-纤维素网络分子结构的计算和实验研究”，以及社论“溶质影响下的水:关于通用溶剂的非纯真”，都出现在5月3日的《科学》杂志上的事。这项工作得到了美国国家科学基金会的部分支持。前北卡罗来纳州立大学博士生坎多克·萨玛赫·塞勒姆是该研究论文的第一作者。合著者包括前北卡罗来纳州立大学博士生尼尔森·巴里奥斯，现任北卡罗来纳州立大学教师哈桑·贾米尔和洛肯德拉·帕尔。
皮克-
致编辑:摘要。
水-纤维素网络分子结构的计算和实验研究
DOI:10.1016 / j.matt.2023.03.021
作者:Kandoker Samaher Salem, Nelson Barrios, Hasan Jameel, Lokendra Pal, Lucian Lucia，北卡罗莱纳州立大学
发表:2023年5月3日事
文摘:
目前的观点试图提供关键的见解，以几个实验和计算调查支持的水溶剂化的几个主要方面。从分子水平的框架上假设水不仅仅是一种普通的溶剂，实际上它可以起到共反应物的作用或诱导“组织约束”(如结晶)来调节不同化学反应的速率。我们视角的重点是提供我们对这些现象的洞察;我们将把我们的网投向在纤维素三维网络周围形成假定的水分子堆叠，这是地球上最丰富的生物材料，氢键和水-纤维素分子结构在微观和纳米纤维素的形态、性质和化学反应性上进一步减轻。我们的观点也涵盖了水水合壳的概念，直接呈现在纤维素的亲水性表面，可以帮助阐明水化学和它在干燥过程中提出的挑战。
溶质影响下的水:关于一种通用溶剂的非纯真性
作者:詹姆斯·马丁，北卡罗来纳州立大学
发表:2023年5月3日事
文摘:水与材料的相互作用可以极大地改变它们的性质。但溶质物质也会改变水的性质。本文提出了一种溶剂化外壳-液体溶剂(SSLS)模型，该模型提供了基于分子的水与蔗糖和纤维素相互作用的描述，其中确定了多种类型的水。结合水最显著地改变了特定材料的性质，而难以去除的水，即受溶质影响而显著改变的水，则负责诸如系统的液相等总体性质。这两种类型的水与将溶剂视为惰性介质的经典描述明显不同。该模型为一篇展望文章中描述的水-纤维素网络的分子结构提供了分子基础，并进一步提供了一个通常可应用于各种水系统的框架。
