[論文レビュー] Mesostructure anisotropy of bacterial cellulose-polyacrylamide hydrogels as studied by spin-echo small-angle neutron scattering

E. V. Velichko, A.L. Buyanov+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 29, 2016

Lanthanide and Transition Metal Complexes参考文献 18被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、スピンエコー小角中性子散乱（SESANS）を用いて、細菌性セルロース-ポリアクリルアミドゲルのミクロ構造の異方性を調査した。この手法により、~11.5 ± 0.5 μm の特徴的スケールにおける密度の不均一性を示す一軸的異方性が明らかになった。これは、細菌性セルロースマトリックス内のチューブ状に整列した構造に起因するとされ、D₂Oでふやかした試料にTbCl₃を添加した際のSESANS信号の出現により裏付けられた。

ABSTRACT

The submicron- and micron-scale structures of composite hydrogels based on bacterial cellulose (BC) and polyacrylamide were studied by spin-echo small-angle neutron scattering (SESANS). These hydrogels were synthesized via free-radical polymerization of acrylamide carried out in pellicle of BC swollen in the reaction solution. No neutron scattering was observed for the samples swollen in heavy water to the equilibrium state, but a SESANS signal appeared when TbCl$_{3}$ salt was added to the solvent. The SESANS dependences obtained for these samples revealed the anisotropy of mesostructure for the hydrogels under investigation. Density inhomogeneities on the characteristic scale of 11.5 $\pm$ 0.5 $μ$m were detected in one specific orientation of the sample, i.e. with growth plane of BC parallel to plane formed by neutron beam and spin-echo length. The uniaxial anisotropy revealed agrees with the proposed model, which attributes this behavior to the existence of the tunnel-like oriented structures inside BC.

研究の動機と目的

• 細菌性セルロース-ポリアクリルアミド（BC-PAM）ゲルにおけるサブミクロンおよびミクロンスケールの構造的異方性を調査すること。
• 細菌性セルロースの成長面がミクロ構造の整列をどのように決定するかを理解すること。
• 溶媒環境および溶質（TbCl₃）がゲル内の中性子散乱応答に与える影響を調査すること。
• SESANSデータを、BCネットワーク内に整列したチューブ状特徴を含む構造モデルと関連付けること。

提案手法

• サブミクロンからミクロンスケールの構造的異方性を調べるために、スピンエコー小角中性子散乱（SESANS）が用いられた。
• アクリルアミドの自由ラジカル重合を用いて、ふやかした細菌性セルロースのペルレキュール内に試料を調製した。
• バックグラウンド散乱を低減するために重水素化水（D₂O）が使用され、溶質由来の対比の検出が可能になった。
• D₂Oでふやかした試料にTbCl₃を添加することで、散乱対比を誘発し、構造的不均一性を明らかにした。
• 試料を中性子ビームおよびスピンエコーベクトルの定める平面に対して相対的に配置することで、方向依存性を調べた。
• データ解析は、SESANS信号の角度依存性に焦点を当て、一軸的異方性を特定することを目的とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SESANSによって明らかにされたBC-PAMゲルにおける構造的不均一性の特徴的スケールは何か？
• RQ2 細菌性セルロースの成長面の配向が、ミクロ構造の異方性にどのように影響するか？
• RQ3 純粋なD₂Oでは散乱が観測されないにもかかわらず、なぜTbCl₃を添加したD₂Oふやかし試料でのみSESANS信号が現れるのか？
• RQ4 観察された異方性が、BCネットワーク内の整列したチューブ状構造を含むモデルとどの程度相関しているか？
• RQ5 このゲル系における異方的密度不均一性の定量的指標は何か？

主な発見

• 密度の不均一性の特徴的スケールとして11.5 ± 0.5 μm が、ゲルのミクロ構造において特定された。
• SESANS信号は一軸的異方性を示し、細菌性セルロースの成長面が中性子ビームとスピンエコーベクトルが定める平面に平行にある場合にのみ現れた。
• TbCl₃を添加しないD₂Oふやかし試料では中性子散乱が観測されず、散乱信号が溶質由来の対比に起因することを示した。
• 観察された異方性は、細菌性セルロースネットワーク内に整列したチューブ状特徴を含む構造モデルと整合的である。
• 溶媒中にTbCl₃が存在することで散乱対比が誘発され、純粋なD₂Oでは見えない構造的異方性の検出が可能になった。