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Cellulose Nanofiber–Graphene Oxide Biohybrids: Disclosing the Self-Assembly and Copper-Ion Adsorption Using Advanced Microscopy and ReaxFF Simulations
ACS Nano ( IF 15.8 ) Pub Date : 2018-06-11 00:00:00 , DOI: 10.1021/acsnano.8b02734 Chuantao Zhu 1 , Susanna Monti 2 , Aji P. Mathew 1
ACS Nano ( IF 15.8 ) Pub Date : 2018-06-11 00:00:00 , DOI: 10.1021/acsnano.8b02734 Chuantao Zhu 1 , Susanna Monti 2 , Aji P. Mathew 1
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The self-assembly of nanocellulose and graphene oxide into highly porous biohybrid materials has inspired the design and synthesis of multifunctional membranes for removing water pollutants. The mechanisms of self-assembly, metal ion capture, and cluster formation on the biohybrids at the nano- and molecular scales are quite complex. Their elucidation requires evidence from the synergistic combination of experimental data and computational models. The AFM-based microscopy studies of (2,2,6,6-tetramethylpiperidine-1-oxylradical)-mediated oxidized cellulose nanofibers (TOCNFs), graphene oxide (GO), and their biohybrid membranes provide strong, direct evidence of self-assembly; small GO nanoparticles first attach and accumulate along a single TOCNF fiber, while the long, flexible TOCNF filaments wrap around the flat, wide GO planes, thus forming an amorphous and porous biohybrid network. The layered structure of the TOCNFs and GO membrane, derived from the self-assembly and its surface properties before and after the adsorption of Cu(II), is investigated by advanced microscopy techniques and is further clarified by the ReaxFF molecular dynamics (MD) simulations. The dynamics of the Cu(II)-ion capture by the TOCNF and GO membranes in solution and the ion cluster formation during drying are confirmed by the MD simulations. The results of this multidisciplinary investigation move the research one step forward by disclosing specific aspects of the self-assembly behavior of biospecies and suggesting effective design strategies to control the pore size and robust materials for industrial applications.
中文翻译：
纤维素纳米纤维-氧化石墨烯生物杂化物：使用先进的显微镜和ReaxFF模拟技术揭示自组装和铜离子吸附
将纳米纤维素和氧化石墨烯自组装成高度多孔的生物杂化材料，激发了用于去除水污染物的多功能膜的设计和合成。在纳米和分子尺度上，生物杂化物上自组装，金属离子捕获和簇形成的机制非常复杂。要阐明它们，需要从实验数据和计算模型的协同组合中获得证据。基于AFM的（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基自由基）介导的氧化纤维素纳米纤维（TOCNFs），氧化石墨烯（GO）及其生物杂化膜的显微镜研究提供了强大的直接自组装证据; 小的GO纳米粒子首先附着并沿单根TOCNF纤维聚集，而长而柔软的TOCNF细丝缠绕在平坦的宽GO平面上，从而形成无定形和多孔的生物杂交网络。通过先进的显微镜技术研究了TOCNFs和GO膜的分层结构，其结构来自于Cu（II）吸附前后的自组装及其表面性质，并通过ReaxFF分子动力学（MD）模拟进一步阐明。MD模拟证实了TOCNF和GO膜在溶液中捕获Cu（II）离子的动力学以及干燥过程中离子簇的形成。这项多学科研究的结果通过揭示生物物种自组装行为的特定方面，并提出了有效的设计策略来控制孔径和工业应用中的坚固材料，使研究向前迈进了一步。通过先进的显微镜技术研究了TOCNFs和GO膜的分层结构，其结构来自于Cu（II）吸附前后的自组装及其表面性质，并通过ReaxFF分子动力学（MD）模拟进一步阐明。MD模拟证实了TOCNF和GO膜在溶液中捕获Cu（II）离子的动力学以及干燥过程中离子簇的形成。这项多学科研究的结果通过揭示生物物种自组装行为的特定方面，并提出了有效的设计策略来控制孔径和工业应用中的坚固材料，使研究向前迈进了一步。通过先进的显微镜技术研究了TOCNFs和GO膜的层状结构，其来源于Cu（II）吸附前后的自组装及其表面性质，并通过ReaxFF分子动力学（MD）模拟进一步阐明。MD模拟证实了TOCNF和GO膜在溶液中捕获Cu（II）离子的动力学以及干燥过程中离子簇的形成。这项多学科研究的结果通过揭示生物物种自组装行为的特定方面，并提出了有效的设计策略来控制孔径和工业应用中的坚固材料，使研究向前迈进了一步。通过先进的显微镜技术进行了研究，并通过ReaxFF分子动力学（MD）模拟进一步阐明了这一点。MD模拟证实了TOCNF和GO膜在溶液中捕获Cu（II）离子的动力学以及干燥过程中离子簇的形成。这项多学科研究的结果通过揭示生物物种自组装行为的特定方面，并提出了有效的设计策略来控制孔径和工业应用中的坚固材料，使研究向前迈进了一步。通过先进的显微镜技术进行了研究，并通过ReaxFF分子动力学（MD）模拟进一步阐明了这一点。MD模拟证实了TOCNF和GO膜在溶液中捕获Cu（II）离子的动力学以及干燥过程中离子簇的形成。这项多学科研究的结果通过揭示生物物种自组装行为的特定方面，并提出了有效的设计策略来控制孔径和工业应用中的坚固材料，使研究向前迈进了一步。
更新日期：2018-06-11
中文翻译：
纤维素纳米纤维-氧化石墨烯生物杂化物：使用先进的显微镜和ReaxFF模拟技术揭示自组装和铜离子吸附
将纳米纤维素和氧化石墨烯自组装成高度多孔的生物杂化材料，激发了用于去除水污染物的多功能膜的设计和合成。在纳米和分子尺度上，生物杂化物上自组装，金属离子捕获和簇形成的机制非常复杂。要阐明它们，需要从实验数据和计算模型的协同组合中获得证据。基于AFM的（2,2,6,6-四甲基哌啶-1-氧基自由基）介导的氧化纤维素纳米纤维（TOCNFs），氧化石墨烯（GO）及其生物杂化膜的显微镜研究提供了强大的直接自组装证据; 小的GO纳米粒子首先附着并沿单根TOCNF纤维聚集，而长而柔软的TOCNF细丝缠绕在平坦的宽GO平面上，从而形成无定形和多孔的生物杂交网络。通过先进的显微镜技术研究了TOCNFs和GO膜的分层结构，其结构来自于Cu（II）吸附前后的自组装及其表面性质，并通过ReaxFF分子动力学（MD）模拟进一步阐明。MD模拟证实了TOCNF和GO膜在溶液中捕获Cu（II）离子的动力学以及干燥过程中离子簇的形成。这项多学科研究的结果通过揭示生物物种自组装行为的特定方面，并提出了有效的设计策略来控制孔径和工业应用中的坚固材料，使研究向前迈进了一步。通过先进的显微镜技术研究了TOCNFs和GO膜的分层结构，其结构来自于Cu（II）吸附前后的自组装及其表面性质，并通过ReaxFF分子动力学（MD）模拟进一步阐明。MD模拟证实了TOCNF和GO膜在溶液中捕获Cu（II）离子的动力学以及干燥过程中离子簇的形成。这项多学科研究的结果通过揭示生物物种自组装行为的特定方面，并提出了有效的设计策略来控制孔径和工业应用中的坚固材料，使研究向前迈进了一步。通过先进的显微镜技术研究了TOCNFs和GO膜的层状结构，其来源于Cu（II）吸附前后的自组装及其表面性质，并通过ReaxFF分子动力学（MD）模拟进一步阐明。MD模拟证实了TOCNF和GO膜在溶液中捕获Cu（II）离子的动力学以及干燥过程中离子簇的形成。这项多学科研究的结果通过揭示生物物种自组装行为的特定方面，并提出了有效的设计策略来控制孔径和工业应用中的坚固材料，使研究向前迈进了一步。通过先进的显微镜技术进行了研究，并通过ReaxFF分子动力学（MD）模拟进一步阐明了这一点。MD模拟证实了TOCNF和GO膜在溶液中捕获Cu（II）离子的动力学以及干燥过程中离子簇的形成。这项多学科研究的结果通过揭示生物物种自组装行为的特定方面，并提出了有效的设计策略来控制孔径和工业应用中的坚固材料，使研究向前迈进了一步。通过先进的显微镜技术进行了研究，并通过ReaxFF分子动力学（MD）模拟进一步阐明了这一点。MD模拟证实了TOCNF和GO膜在溶液中捕获Cu（II）离子的动力学以及干燥过程中离子簇的形成。这项多学科研究的结果通过揭示生物物种自组装行为的特定方面，并提出了有效的设计策略来控制孔径和工业应用中的坚固材料，使研究向前迈进了一步。
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