研究水作为溶剂的基本原理可以产生更环保的纤维素基产品

水不仅仅是一种不受其相互作用影响的通用溶剂。北卡罗来纳州立大学的新出版物表明，水可以根据其相互作用而改变其溶解度特性。具体来说，当水与纤维素相互作用时，它可以堆叠在层状外壳中，以控制材料内部的化学反应和物理性质。这项工作对纤维素基产品的更可持续和高效的设计具有重要意义。

“纤维素是世界上最丰富的生物聚合物，它被用于从绷带到电子产品的各种应用，”北卡罗来纳州立大学森林生物材料和化学教授Lucian Lucia说，他是Matter的一项新研究的通讯作者。“但纤维素加工主要是通过反复试验来完成的，其中一些使用了令人难以置信的刺激性化学品。为了找到更好的方法来加工纤维素，我们需要了解其最基本的相互作用 - 例如，与水的相互作用。

为此，他与北卡罗来纳州立大学化学教授吉姆·马丁(Jim Martin)合作，后者研究水作为溶剂的基本特性。

“水具有不可思议的能力，可以根据它的特性改变特性，这赋予了它广泛的溶解度特性，”马丁说。马丁是《物质》杂志上一篇评论文章的作者，该文章是露西亚研究的伴侣。

“我们通过溶解在水中的东西以及水中这些溶质的浓度来改变水的性质，”马丁说。“想想Kool-Aid和硬糖之间的连续统一体。你从糖开始。在Kool-Aid中，糖完全溶解。当你去除水时，你会得到太妃糖，然后是硬糖，然后又回到结晶糖。

“我们知道水对如何铺设纤维素至关重要，”Lucia说。“因此，在这项研究中，我们探讨了它如何定位自己并在减轻或利用化学方面发挥反应作用。

研究人员物理操纵不同类型的木纤维，并观察水如何与自身和由此产生的结构中的其他分子结合。他们发现，在较低的含水量下，水的分布和由此产生的水与纤维之间的分子相互作用在材料内产生桥接结构，导致其失去柔韧性。

事实上，他们发现水可以“隐藏”在纤维素网络中，形成强大的氢键。这种粘合反过来决定了桥接结构的松紧度或松动度。

“水在可以堆叠的纤维周围形成贝壳，就像一个筑巢的俄罗斯娃娃，”马丁说。“壳或层越少，纤维就越硬。但是当你添加更多的层时，纤维之间的连接会变得更远，材料会变得更软。

研究人员希望在未来的工作中探索这些结构中水形成的各种键。

“在分子水平上研究这些相互作用为操纵纤维素中的水以设计更好的产品和工艺铺平了道路，”Lucian说。“从基本原则中了解正在发生的事情使我们能够设计出利用水的特性的方法，从药物输送到设计电子产品。

研究论文“对水纤维素网络分子结构的计算和实验见解”和社论文章“溶质影响下的水：关于通用溶剂的非纯真性”都出现在Matter上。