Một sự kết hợp mạnh mẽ để giải thích các tương tác giữa gỗ và nước ở kích cỡ nano

Vật liệu cellulose từ gỗ cho đến vật liệu nano tiên tiến mới đều rất nhạy với độ ẩm. Nhưng các cơ chế cơ bản của sự tương tác giữa gỗ và nước vẫn chưa được hiểu rõ. Và sự kết hợp độc đáo giữa nghiên cứu thực nghiệm và mô phỏng tính toán được thực hiện trong dự án SASAMIS cung cấp thông tin chi tiết về ảnh hưởng của độ ẩm ở cấp độ nano với các khối hình thành cơ bản của sợi gỗ.

 

 

Các thành tế bào gỗ tương tác với độ ẩm một cách rất tinh vi. Những tương tác này bị chi phối bởi các hiện tượng ở kích cỡ nano, và điều này có thể thấy đối với hầu hết các vật liệu cellulose. Việc làm mềm giấy ướt là một ví dụ quen thuộc về tác động mạnh mẽ của độ ẩm đối với các vật liệu làm từ gỗ. Mặc dù có tầm quan trọng to lớn đối với các ứng dụng tiên tiến của gỗ, nhưng chi tiết về cách nước tương tác với các vi sợi cellulose vẫn chưa được mô tả chính xác.

 

Nước là một trong những thành phần cấu trúc chính của thành tế bào gỗ. Sự phân bố của nó trong cấu trúc nano của thành tế bào quyết định nhiều đến đặc tính của vật liệu, bao gồm cả khả năng tiếp xúc với chất phản ứng hóa học. Sự thay đổi độ ẩm bên ngoài dẫn đến sự thay đổi phân bố nước bên trong, cuối cùng ảnh hưởng đến cấu trúc của các bó vi sợi cellulose. Làm thế nào và tại sao nước đi vào các khoảng trống giữa các sợi một cách chính xác, và điều này ảnh hưởng như thế nào đến cấu trúc của các bó sợi là một đối tượng đang được nghiên cứu tích cực trên toàn thế giới.

 

Trong dự án SASAMIS do FinnCERES tài trợ, các nhà nghiên cứu tại Đại học Aalto kết hợp chuyên môn của họ về tán xạ tia X và neutron với chuyên môn về mô hình phân tử của VTT đã xây dựng lên một mô hình thực tế về các bó vi sợi trong gỗ vân sam. Mô hình cấu trúc phân tử và trạng thái của nó khi thay đổi độ ẩm phù hợp tốt với kết quả thí nghiệm. Nó có thể được sử dụng để giải thích các cơ chế đằng sau sự tương tác giữa gỗ và nước, để dự đoán tính linh động của nước và những thay đổi cấu trúc theo độ ẩm, và hỗ trợ việc giải thích các kết quả thí nghiệm.

 

Thông tin mới thu được trong SASAMIS giúp hiểu sâu hơn về các đặc tính cơ bản của vật liệu làm từ gỗ. Đây có thể là điểm khởi đầu cho sự phát triển của các loại vật liệu cellulose mới khai thác sự tương tác đặc biệt với nước.

 

Sự kết hợp độc đáo của các phương pháp

SASAMIS sử dụng sự kết hợp độc đáo của các phương pháp để thăm dò ảnh hưởng ở cấp độ phân tử của nước lên các bó vi sợi. Việc nghiên cứu cấu trúc nano của gỗ trong các điều kiện môi trường khác nhau, chẳng hạn như độ ẩm khác nhau, rất khó. Tán xạ tia X mang lại khả năng xác định đặc tính ở cấp độ nano mà không xâm lấn, nhưng việc giải thích kết quả thường gặp nhiều thách thức. Việc mô hình hóa phân tử cho phép chúng ta thấy rõ hơn mối quan hệ giữa các cấu trúc thực và dữ liệu tán xạ, đồng thời cho phép dự đoán các thay đổi cấu trúc.

 

Các phương pháp linh hoạt mới để mô hình hóa và mô tả đặc tính

Bộ công cụ được phát triển trong SASAMIS rất linh hoạt và có thể được điều chỉnh cho phù hợp với nhiều chủ đề nghiên cứu khác nhau. Sự kết hợp mạnh mẽ giữa mô hình hóa và tán xạ được cho là sẽ cung cấp câu trả lời cho các câu hỏi nghiên cứu tiếp theo liên quan đến trạng thái làm khô và hòa tan cellulose.

 

Nguyễn Tiến Dũng tổng hợp và dịch.

 

Tìm hiểu thêm thiết bị tán xạ tia X được sử dụng trong dự án trên tại trường Đại học Aalto – Phần Lan: Xeuss 3.0

https://www.aalto.fi/en/department-of-bioproducts-and-biosystems/biobased-materials-structure

 

Nguồn: https://www.finnceres.fi/post/a-powerful-combination-to-explain-nanoscale-wood-water-interactions