נושא הפרוייקט
מספר פרוייקט
מחלקה
שמות סטודנטים
אימייל
שמות מנחים
נוקלאציה של טקטואידים בפאזות קולואידיות של ננו-צלולוזה
Nucleation in Colloidal Liquid Crystalline Phases of Cellulose Nanocrystals
תקציר בעיברית
תרחיפים מימיים של גבישי ננו-צלולוז (גנ"צ) נוטים להפרדות פאזות לפאזה איזוטרופית ופאזה של גביש נוזלי. היווצרות הגבישים הנוזליים מונעת ע"י אנטרופיה ומתרחשת באופן סופנטאני בריכוזים גבוהים מספיק של גנ"צ. במצב המעבר בין התרחיף האיזוטרופי לפאזת הגביש הנוזלי נוצרות טיפות של מבנה מאורגן הדומה לזו של הגביש הנוזלי. טיפות אלו נקראות טקטואידים. כאשר נוצרים טקטואידים בריכוזים נמוכים יחסית, מופחתת ההסתברות לתופעות של ג'לאציה. מטרת הפרוייקט הייתה לחקור את מצב הביניים המוביל להווצרות פאזת הגביש הנוזלי ולבחון שיטות לקבלת טקטואידים בריכוזים נמוכים יותר. הבנה מעמיקה יותר של הפרמטרים המשפיעים על מערכות אלו יכולה להוביל לשליטה טובה יותר בתהליכים המובילים ליצירה של פאזות גבישים נוזליים של גנ"צ. תרחיפים של גנ"צ הוכנו באמצעות סוניקציה ועברו אינקובציה ארוכה כדי להגיע לשיווי משקל. גנ"צ מאופיינים בשבירה כפולה, כלומר מקדם השבירה שלהם תלוי בכיוון התקדמות האור דרכם. תכונה זו מאפשרת בחינת התרחיפים תחת מיקרוסקופיית אור מקוטב (מא"מ) מכיוון שפאזות גביש נוזלי והטקטואידים יופיעו בהירים בין מקטבים מוצלבים. כמו כן, פאזת הגביש הנוזלית של גנ"צ היא כיראלית-נמטית, משמע הכיוון בו מסודרים מוטות הגנ"צ מסתובב בציר מאונך לכיוון עצמו מה שמוביל להופעות פסי התאבכות הורסת (חושך) בעת בחינה תחת מא"מ. המרחק בין פסי ההתאבגות ההורסת מאפשרים למדוד את הפיטץ' האליפטי (P) שזהו המרחק לאורכו האורינטצייה של המוטות משלימה סיבוב שלם של 360°. המדידות הראו ירידה ב-P עם העלייה בריכוז. ממצא זה נכון גם לפאזה הכיראלית-נמטית וגם עבור הטקטואידים עצמם, כאשר לשנייהם נצפה ערך P שווה בריכוזים זהים. בנוסף, בריכוזים גבוהים יותר של גנ"צ, נצפו יותר טקטואידים, הם היו גדולים יותר בממוצע והיו בהם יותר פסי התאבכות הורסת (גם כתוצאה מ-P נמוך יותר וגם מכיוון שהטקטואידים גדולים יותר). בהפרדה של טקטואידים גדולים וקטנים לשתי קבוצות עבור כל דגימה, ניתן היה לראות באופן עקבי שה-P אינו מושפע מגודלם אלא רק מהריכוז. כמו כן, ניתן היה להבחין בהתמזגות של טקטואידים, כלומר מנגנון הגידול כולל לא רק נוקלאציה אלא גם התקבצות. לבסוף, בהכנת תרחיפים היברידיים בהם יש שני סוגים של גנ"צ, נצפו טקטואידים בריכוזים כוללים נמוכים יותר מאשר דגימות של סוג אחד בלבד. דבר זה רומז על כך שהאגרגטים משמשים כגרעינים עליהם מתרחש גיבוש של טקטואידים. בעתיד מתוכנן לאפיין את מבנה הטקטואידים באמצעות פיזור קרני X בזוויות נמוכות (SAXS) כדי לאפיין את המבנה הננומטרי שלהם.
תקציר באנגלית
Aqueous suspensions of cellulose nanocrystals (CNC) phase separate spontaneously to an isotropic and Liquid- Crystalline (LC) mesophases. The formation of these LC phases is driven by entropy at high enough concentrations of CNC. A transition state exists where finite sized droplets of the LC phase reside within the isotropic phase. These droplets, called tactoids, can form at low CNC concentrations, reducing the possibility for kinetic arrest or gelation . This project was aimed at examining this intermediate state and methods of obtaining tactoids at lower concentrations. Improved understanding of the parameters controlling this system will enable optimization of the conditions and better control of the properties of the LC phase. In the current project different types of CNC were used for preparation of suspensions via tip-sonication and long incubation periods enabled the system to equilibrate. The CNCs LC phase is chiral nematic and can be characterized via polarized optical microscopy (POM): The LC phases and tactoids appear bright between crossed polarizers and show distinct pattern of dark (destructive) interference lines due to the helical rotation of the director of the LC phase. These extinction lines allow measurement of the pitch (P): the distance over which the director completes a full 360° turn. P provides a measure to the strength of the chiral interaction between the CNC rods and generally appears to decrease as CNC concentration increases. This observation is seen both in tactoids and in the chiral nematic LC phase. Characterization of the tactoids reveals that their number and diameter increase with the concentration of CNC as well as the number of the extinction lines (due to the increased size and smaller pitch). It was observed that tactoids merge, indicating that tactoids coalescence is part of the growth process of the LC phase. Lastly, hybrid mixtures of two CNC types resulted in lowering of the overall CNC threshold concentration for nucleation. Future work will focus on Small-Angle X-ray Scattering (SAXS) characterization of the tactoids to obtain data about their nanometric structure.