Atomic Force Microscopy Characterization of Cellulose Nanocrystals

Abstract

Cellulose nanocrystals (CNCs) are gaining interest as a "green" nanomaterial with superior mechanical and chemical properties for high-performance nanocomposite materials; however, there is a lack of accurate material property characterization of individual CNCs. Here, a detailed study of the topography, elastic and adhesive properties of individual wood-derived CNCs is performed using atomic force microscopy (AFM). AFM experiments involving high-resolution dynamic mode imaging and jump-mode measurements were performed on individual CNCs under ambient conditions with 30% relative humidity (RH) and under a N(2) atmosphere with 0.1% RH. A procedure was also developed to calculate the CNC transverse elastic modulus (E(T)) by comparing the experimental force-distance curves measured on the CNCs with 3D finite element calculations of tip indentation on the CNC. The E(T) of an isolated CNC was estimated to be between 18 and 50 GPa at 0.1% RH; however, the associated crystallographic orientation of the CNC could not be determined. CNC properties were reasonably uniform along the entire CNC length, despite variations along the axis of 3-8 nm in CNC height. The range of RH used in this study was found to have a minimal effect on the CNC geometry, confirming the resistance of the cellulose crystals to water penetration. CNC flexibility was also investigated by using the AFM tip as a nanomanipulator.

Nanostructure of cellulose microfibrils in spruce wood

“…This length was only about 11 nm in the present experiments, uncorrected for disorder. Published axial Scherrer dimensions vary (19) as the width of the 004 reflection is often little greater than the instrumental broadening, but this dimension is clearly less than the length of nanocrystals prepared from wood cellulose (75) or isolated single sheets of chains (30). Some other feature must therefore contribute to the loss of axial coherence.…”

Obtenção e caracterização de PLA reforçado com nanocelulose.

“…[6,38] As propriedades mecânicas dos vários tipos de partículas de celulose estão resumidas na Tabela 2, além de outros tipos de fibras e nanopartículas, utilizados em comparações futuras. Fontes: [6] e [38] De acordo com os dados médios experimentais apresentados na Tabela 2, os nanocristais de celulose, de modo geral, podem apresentar maior rigidez do que fibras de Kevlar-49 e de vidro e valores equivalentes aos obtidos para fibras de carbono e nanopartículas de argila, quando se compara os valores médios do módulo elástico no sentido longitudinal (E l ). Além disso, os nanocristais de celulose possuem a vantagem da baixa densidade, aliada a altos valores para E l .…”

“…[6,14,38,39] Tais propriedades mecânicas têm sido medidas experimentalmente utilizando ensaios de tração in situ, combinados com difração de raios X (DRX). Entretanto, como esta técnica presume perfeita transferência de carga e orientação dos cristais de celulose dentro das microfibrilas ao longo do eixo de carregamento, o que, necessariamente, não acontece, os valores de E obtidos podem ser subestimados, quando comparados com os valores experimentais.…”

“…Entretanto, como esta técnica presume perfeita transferência de carga e orientação dos cristais de celulose dentro das microfibrilas ao longo do eixo de carregamento, o que, necessariamente, não acontece, os valores de E obtidos podem ser subestimados, quando comparados com os valores experimentais. [6,38] Além deste método, outras técnicas como microscopia de força atômica e espectroscopia Raman têm sido utilizadas para cálculos de valores de E l e E t , os quais apresentam menores desvios quando comparados aos valores encontrados através de modelos matemáticos.…”

“…Além disso, há a presença dos picos característicos da celulose I β em 2θ=14,8° e 16,3° referentes aos planos (11 ̅ 0) e (110). [23,38] Ainda pode-se observar um ombro localizado ao redor de 2θ = 21° mais pronunciado nas amostras das NCs, que representa uma reflexão do plano (102/012) e um pico bem definido a 2θ = 34° referente ao plano (040). [38] Entretanto, observam-se picos adicionais na curva pertencente às NCs Em conformidade com a literatura [4,94] …”