Исследователи разработали быстрый и простой метод преобразования лигнина, полученного из древесного биопродукта, в наночастицы для создания прозрачных покрытий или цветных антибликовых поверхностей с противотуманными свойствами. Открытие превращает эти обильные отходы в полезный материал, который можно использовать в самых разных областях: от очков до автомобильных стекол.
Учитывая нынешний акцент на экономике замкнутого цикла и изменении климата, лигнин — органическое вещество, которое скрепляет клетки, волокна и контейнеры древесины — считается многообещающим возобновляемым ресурсом, который может заменить ископаемые материалы. Но в настоящее время этот побочный продукт целлюлозно-бумажной промышленности утилизируется не полностью: около 98% используется для сжигания для отопления или производства электроэнергии.
Одним из препятствий на пути использования лигнина является то, что его сложная молекулярная структура затрудняет расщепление. Теперь исследователи из Университета Аалто в Финляндии разработали метод преобразования лигнина в прозрачное покрытие на биологической основе с противотуманными и антибликовыми свойствами.
Наночастицы лигнина (ЛНЧ) гидрофильны и подходят для создания текстур, что делает их идеальными для оптических применений, особенно тех, которые требуют противотуманных свойств. Однако одной из проблем при таком использовании является преодоление непрозрачности частиц, что требует точного контроля толщины пленки.
В текущем исследовании ученые рассмотрели возможность уменьшения размера ЛНЧ, чтобы решить проблему непрозрачности, поскольку более мелкие частицы менее склонны к помутнению и более равномерно рассеивают свет.
«Оптические покрытия должны быть прозрачными, но до сих пор были видны даже довольно тонкие пленки частиц лигнина», — сказал Александр Хенн, первый автор исследования. «Мы знаем, что мелкие частицы выглядят менее мутными, поэтому я хотел посмотреть, сможем ли мы создать невидимые пленки из частиц, уменьшив размер частиц до минимума».
Чтобы уменьшить размер частиц, исследователи химически модифицировали лигнин посредством ацетилирования — реакции этерификации, которая вводит ацетильные функциональные группы в органические соединения. Используя уксусную кислоту для запуска реакции, которая занимает всего 10 минут при относительно низкой температуре 140°F (60°C), процесс позволил получить высокие концентрации сверхмалых ЛНЧ с неожиданными свойствами.
«Частицы лигнина, которые я получил из ацетилированного лигнина, обладали весьма удивительными свойствами, что сделало другие части этого исследования очень интересными», — сказал Хенн. «Например, возможность создания фотонных пленок была совершенно неожиданной».
Небольшой размер частиц позволил исследователям контролировать толщину и внешний вид слоев: от прозрачных субмонослоев до многослойных пленок, что позволило им контролировать цвет и поглощение различных длин волн света.
Они обнаружили, что ультратонкие прозрачные покрытия уменьшают рассеяние света, вызванное каплями воды, и пришли к выводу, что ацетилированный лигнин подходит для использования в качестве покрытия против запотевания на прозрачных поверхностях. Кроме того, утолщая покрытие и используя несколько слоев тонких пленок, исследователи могут контролировать цвет покрытия, получая в результате яркие желтые, синие и пурпурные оттенки. Эти более толстые покрытия также обладают фотонными свойствами, то есть отражают свет.
Исследователи говорят, что скорость и простота реакции ацетилирования, а также ее высокий выход означают, что ее можно масштабировать до промышленного уровня, а дополнительным преимуществом является то, что лигнин является поглотителем углерода.
Моника Остерберг, один из авторов исследования, сказала: «Продукты на основе лигнина могут иметь коммерческую ценность, одновременно выступая в качестве поглотителя углерода, помогая снизить нынешнюю зависимость от ископаемого топлива и сократить выбросы CO2. Подобные высокоценные применения важны для повышения ценности лигнина, чтобы мы больше не использовали лигнин исключительно в качестве топлива».
Исследование было опубликовано в Журнале химической инженерии.