[논문 리뷰] Mesostructure anisotropy of bacterial cellulose-polyacrylamide hydrogels as studied by spin-echo small-angle neutron scattering

E. V. Velichko, A.L. Buyanov외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 29.

Lanthanide and Transition Metal Complexes참고 문헌 18인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 세균성 셀룰로오스-폴리아크릴아미드 젤의 미세구조 이방성을 스핀-에코 소각도중성자산란(SESANS)을 이용해 조사한다. 이 기법은 ~11.5 ± 0.5 μm 특성 스케일에서 밀도 비균일성을 보이는 축방향 이방성을 드러내었으며, 이는 세균성 셀룰로오스 매트릭스 내의 터널형으로 정렬된 구조로 기인하며, D₂O에 포화된 샘플에 TbCl₃를 첨가함으로써 SESANS 신호가 나타나면서 확인되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 세균성 셀룰로오스-폴리아크릴아미드(BC-PAM) 젤 내에서 1μm 이하 및 1μm 수준의 구조적 이방성을 조사하기 위해.
• 세균성 셀룰로오스의 성장 평면이 미세구조 조직화를 어떻게 유도하는지 이해하기 위해.
• 용매 환경과 용질(TbCl₃)이 젤 내 중성자 산란 반응에 미치는 영향을 탐구하기 위해.
• SESANS 데이터를 세균성 셀룰로오스 네트워크 내 정렬된 터널형 특징을 포함하는 구조 모델과 연관지기 위해.

제안 방법

• 세균성 셀룰로오스 필름에 포화된 상태에서 아크릴아미드의 자유 라디칼 중합을 통해 샘플을 제조하고, 스핀-에코 소각도중성자산란(SESANS)을 이용해 1μm 이하에서 1μm 수준의 구조적 이방성을 탐측하였다.
• 배경 산란을 억제하기 위해 디우테리오 수소화물(D₂O)을 사용하여, 용질 유도된 대비를 감지할 수 있도록 하였다.
• D₂O에 포화된 샘플에 TbCl₃를 첨가하여 산란 대비를 유도하고, 구조적 비균일성을 드러내었다.
• 샘플을 중성자 비트 및 스핀-에코 벡터에 대해 상대적으로 정렬시켜 방향성 의존성을 탐측하였다.
• 데이터 분석은 SESANS 신호의 각도 의존성을 중심으로 하여 축방향 이방성을 식별하는 데 중점을 두었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SESANS에 의해 드러난 BC-PAM 젤 내 구조적 비균일성의 특성 스케일은 무엇인가?
• RQ2 세균성 셀룰로오스 성장 평면의 정렬이 미세구조의 이방성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 순수한 D₂O에 포화된 샘플에서는 산란이 관측되지 않음에도 불구하고, D₂O에 포화된 샘플에 TbCl₃를 첨가했을 때만 SESANS 신호가 나타나는 이유는 무엇인가?
• RQ4 관측된 이방성이 세균성 셀룰로오스 네트워크 내 정렬된 터널형 특징을 포함하는 모델과 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 이 물질계에서 이방성 밀도 비균일성의 정량적 측도는 무엇인가?

주요 결과

• 젤의 미세구조 내 밀도 비균일성에 대해 11.5 ± 0.5 μm의 특성 스케일이 확인되었다.
• SESANS 신호는 축방향 이방성을 보였으며, 이는 세균성 셀룰로오스 성장 평면이 중성자 비트 및 스핀-에코 벡터가 정의하는 평면과 평행일 때만 나타났다.
• TbCl₃를 첨가하지 않은 D₂O에 포화된 샘플에서는 중성자 산란이 관측되지 않아, 산란 신호가 용질 유도 대비에 기인한다는 것을 의미한다.
• 관측된 이방성은 세균성 셀룰로오스 네트워크 내 정렬된 터널형 특징을 포함하는 구조 모델과 일치한다.
• 용매 내 TbCl₃의 존재는 산란 대비를 유도하여, 순수한 D₂O에서는 보이지 않는 구조적 이방성을 감지할 수 있게 하였다.