[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究利用自旋-echo小角中子散射（SESANS）技术，研究了细菌纤维素-聚丙烯酰胺水凝胶的介观结构各向异性。该技术揭示了在约11.5 ± 0.5 μm特征尺度下的单轴各向异性及密度非均匀性，归因于细菌纤维素基质中的隧道状取向结构，该结论通过在D₂O溶胀样品中添加TbCl₃后SESANS信号的出现得到证实。

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.

研究动机与目标

• 研究细菌纤维素-聚丙烯酰胺（BC-PAM）水凝胶在亚微米至微米尺度的结构各向异性。
• 理解细菌纤维素生长平面在调控介观结构组织中的作用。
• 探究溶剂环境及溶质（TbCl₃）对水凝胶中子散射响应的影响。
• 将SESANS数据与细菌纤维素网络中取向隧道状特征的结构模型相关联。

提出的方法

• 采用自旋-echo小角中子散射（SESANS）技术，在亚微米至微米尺度探测结构各向异性。
• 通过丙烯酰胺在溶胀的细菌纤维素膜中进行自由基聚合制备样品。
• 使用氘代水（D₂O）以抑制背景散射，从而实现对溶质诱导对比度的检测。
• 向D₂O溶胀样品中添加TbCl₃，以诱导散射对比度并揭示结构非均匀性。
• SESANS测量中，样品相对于中子束和自旋-echo矢量进行定向排列，以探测方向依赖性。
• 数据分析聚焦于SESANS信号的方位依赖性，以识别单轴各向异性。

实验结果

研究问题

• RQ1 SESANS揭示的BC-PAM水凝胶中结构非均匀性的特征尺度是多少？
• RQ2 细菌纤维素生长平面的取向如何影响介观结构的各向异性？
• RQ3 为何仅在向D₂O溶胀样品中添加TbCl₃后才会出现SESANS信号，而在纯D₂O中无散射现象？
• RQ4 所观察到的各向异性在多大程度上与细菌纤维素网络中取向隧道状结构的模型相符？
• RQ5 该水凝胶体系中各向异性密度非均匀性的定量度量是多少？

主要发现

• 在水凝胶介观结构中，密度非均匀性的特征尺度被确定为11.5 ± 0.5 μm。
• SESANS信号表现出单轴各向异性，仅当细菌纤维素生长平面与中子束和自旋-echo矢量所定义的平面平行时才出现。
• 在未添加TbCl₃的D₂O溶胀样品中未观察到中子散射，表明散射信号源于溶质诱导的对比度。
• 所观察到的各向异性与细菌纤维素网络中存在取向隧道状特征的结构模型一致。
• 溶剂中TbCl₃的存在诱导了散射对比度，使得原本在纯D₂O中不可见的结构各向异性得以检测。