Nanoschaalmodellering van natuurlijke vezels

Het hoofddoel van dit onderzoeksplan is om te onderzoeken hoe de mechanische eigenschappen van de plantencelwand en zijn bestanddelen op atomistische niveaus worden gecontroleerd door middel van moleculaire dynamische simulaties. In het bijzonder worden verschillende bestanddelen zoals kristallijne cellulose, hemicellulose, ontwrichte cellulose, lignine en water gesimuleerd en bestudeerd, door middel van moleculaire dynamische methoden, met als doel een beter begrip van de interacties op moleculair/atomistisch niveau. Het proefschrift maakt gebruik van verbeterde state-of-the-art methodologieën, zoals paraplu-sampling om de interactie-energiewaarden tussen verschillende componenten te berekenen.

De resultaten van het proefschrift kunnen als volgt worden samengevat:

- Het trekgedrag van cellulose nanokristallen en cellulose microfibrillen werd grondig beoordeeld. De Young's modulus van beide modellen werd berekend en vergeleken. Er werd opgehelderd hoe energie dissipeert in de modellen en hoe deze energiedissipatie wordt gecontroleerd door de veranderingen die plaatsvinden bij de glycosidische koppeling. Het effect van water op de mechanische eigenschappen van individuele fibrillen werd beoordeeld. Water had geen significante invloed op de mechanische eigenschappen.

- De uiteindelijke eigenschappen van cellulose nanokristallen werden bestudeerd. Ultieme spanning van 9,2 GPa en ultieme spanning van 8,5% werd geschat voor een 36-ketenmodel. Er werd aangetoond dat de C4-O4-binding verantwoordelijk is voor het falen van nanokristallen van cellulose, en dat het falen voornamelijk aan de oppervlakte begint en zich naar binnen voortplant.

- De toepasbaarheid van macroscopische regels, oftewel de inverse regel van mengsels, is beoordeeld op nanoschaal. Er werd aangetoond dat de inverse regel van mengsels kan worden gebruikt om de effectieve elasticiteitsmodulus van cellulosemicrofibrillen te schatten, aangezien de mate van kristalliniteit van de fibrillen bekend is.

- Grootteverdeling van ontwrichte segmenten in cellulosemicrofibrillen werd geschat. Door resultaten van de moleculaire dynamica-simulaties en experimentele resultaten uit de literatuur te combineren, is aangetoond dat dislocaties 6-11 anhydroglucose-eenheden kunnen hebben, gelijk aan 3,1-5,8 nm lang.

- Er werden vijf verschillende hemicellulosemodellen gesimuleerd; namelijk Glucomannan, Galactoglucomannan, Xyloglucan, Glucuronoxylan en Glucuronoarabinoxylans, en hun interactie-energieën wanneer geadsorbeerd op cellulose werden berekend en vergeleken. De resultaten toonden aan dat glucuronoarabinoxylan de hoogste interactie-energieën vertoont, terwijl xyloglucan de zwakste is. Bovendien bleek regioselectiviteit van substituenten op de ruggengraat van de hemicellulose de bepalende parameter te zijn bij het definiëren van de adsorptie-eigenschappen. Er werd aangetoond dat falen in de afschuifmodus voornamelijk plaatsvond op het grensvlak van cellulose en hemicellulose. Water bleek de interacties binnen de hemicellulosematrix en het grensvlak te verslechteren.