נושא הפרוייקט

מספר פרוייקט מחלקה שמות סטודנטים אימייל שמות מנחים

הכנה ואפיון שכבות דקות ויבשות של ננו-גבישי תאית

Preparation and characterization of dried thin films of cellulose nanocrystals

תקציר בעיברית

תאית הוא אחד הביופולימרים המגוונים והנפוצים ביותר בטבע. ננו צלולוזה (=ננו תאית) מעורר עניין הולך וגובר עבור מגוון יישומים בתחומי חומרים מתקדמים והנדסה ביו-רפואית. תאית היא חומר מתחדש, עם תכונות מכניות מצוינות, תאימות ביולוגית טובה, ניתנת לפונקיונליזציה כימית ולחומר תכונות אופטיות מעניינות.
ננו-גבישי תאית (בקיצור CNCs) מתקבלים באמצעות הידרוליזה של חומצה גופרתית מצלולוזה. החומצה הגופרתית מפרקת את האזורים האמורפיים , ומשאירה את המבנה הגבישי.
תרחיף של מוטות CNC במים עובר  הפרדת פאזות נוזל-נוזל גבישי (LC)המונעת על ידי אנטרופיה, כאשר ריכוז ה-CNC מעבר לריכוז קריטי. לפאזת הנוזל הגבישי שבירה כפולה (birefringence) והיא כראלית. ייבוש לשכבות דקות יכול לשמר את התכונות האופטיות של התרחיף הנוזלי ולכן שכבות דקות של CNCs יכולות לשמש כאבני בניין לשכבות פעילות אופטית. עד כה, רק ייבוש איטי של התרחפים הביא ליצירה של שכבות נמטיות כיראליות, בעלות תכונות אופטיות המושפעות משיטת הייבוש, עובי השכבה, קצב אידוי המים וכן אינטראקציה עם המצע. 
מטרת פרויקט זה הייתה לפתח תהליך דו-שלבי לשליטה במבנה המתקבל, והמאפיינים האופטיים של שכבות ה-CNC: ייבוש מהיר וחישול לאחר חשיפה לאדי ממס (SVA). זאת על מנת להחליף את התהליכים האיטיים המוגבלים מימדים קטנים. SVA שימש במקור להשראת התארגנות מחודשת בשכבות דקות של פולימרים. בפרויקט נעשה שימוש במיקרוסקופ אור מקוטב (POM) ומיקרוסקופ כוח אטומי (AFM) לאפיון שכבות CNCs.
מדידות POM שימשו לאפיון שתי תכונות חשובות: צבעי התאבכות (האופייניים לפאזה נמטית) ותבנית התאבכות (המאפיינת דגימות כיראליות) המכונה "דפוס טביעת אצבע". AFM שימש לאפיון מבנה פני השטח, למשל, חספוס ואוריינטציה של מוטות CNCs על פני השטח. ראשית, נמצא כי הממס האידיאלי עבור SVA הוא מים. תהליך ייבוש מהיר (של מספר ימים) ואחריו SVA במים מוביל להיווצרות אזורים גדולים של פאזה נמטית. בנוסף, נמצא שתהליך דו-שלבי יכול להחליף ייבוש איטי מאוד על ידי SVA לאחר ייבוש מהיר במים (מספר ימים לעומת שבועות). בהמשך הפרויקט, ייבחן הקשר בין הסידור של מוטות ה-CNC (AFM) לבין התכונות האופטיות (POM).

תקציר באנגלית

Cellulose is one of the most versatile and widely found biopolymers in nature. Nanocellulose is of increasing interest for a range of applications relevant to the fields of material science and biomedical engineering. This is due to its renewable nature, excellent mechanical properties, good biocompatibility, tailorable surface chemistry and interesting optical properties.
Cellulose nano-crystals (shortly CNCs) are obtained through sulfuric acid hydrolysis of cellulose source. Sulfuric acid degrades the amorphous regions, leaving behind the crystalline structure. 
CNCs suspensions in water exhibit entropy-driven liquid-LC phase separation, beyond a critical concentration. The LC phase is birefringent and chiral and can be dried into thin films while preserving the structure and optical properties. CNCs thin films can be used as a building blocks for optically active materials. Thus far, only slow drying of the suspensions resulted in chiral nematic films, with optical properties that are affected by the deposition method, layer thickness, rate of water evaporation and interaction with the substrate. 
This project aimed to develop a two-step process for controlling the structure and optical properties of the CNCs films: fast drying followed by post deposition annealing in vapor (SVA), to replace the slow and non-scalable processes used thus far. SVA was originally used for re-orientation and defect annealing in polymeric films. In the project polarized light microscopy (POM) and atomic force microscopy (AFM) were used for characterization of the CNCs layers.
Under the POM, two important features were analyzed: interference colors (characteristic of a nematic phase) and an interference pattern (that characterizes chiral samples) known as "fingerprint pattern". AFM was used for characterizing the surface structure, e.g., roughness and the orientational ordering of the CNCs rods on the surface. First, it was found that the ideal solvent for SVA is water. Fast drying (i.e., a few days) process followed by SVA in water leads to the formation of large domains of nematic phase. In addition, it was found that a two-step process can replace very slow drying by post-deposition SVA in water (a few days versus weeks). Future work should examine a possible correlation between self-assembly (obtained by AFM) and the optical properties (obtained by POM).