Nanoselluloosan mallintaminen ja 3D-tulostussovellukset

Abstract

Nanoselluloosat ovat selluloosasta eritettyjä pieniä selluloosapartikkeleita. Niiden käyttäminen erilaisissa biopolymeeripohjaisissa sovelluksissa tulee olemaan tulevaisuudessa yhä yleisempää. Nanoselluloosan avulla pystytään luomaan biopohjaisia ratkaisuja moneen sovelluskohteeseen eri tutkimussektoreilla ja teollisuudenaloilla.

Tämän työn tarkoituksena on tutustua syvällisesti nanoselluloosan eri ilmenemismuotoihin eli polymorfoihin, ominaisuuksiin, rakenteeseen sekä 3D-tulostuksen sovelluskohteisiin. Sen lisäksi työssä tutustutaan molekyylidynamiikkaa hyödyntävään mallinnukseen ja simulointiin. Työssä suoritetaan esittelyluonteisesti molekyylisimulaatio nanoselluloosalle siihen soveltuvalla GROMACS-ohjelmistolla.

Työ jakaantuu kahteen osaa, kirjallisuuskatsausmaiseen teorialukuun sekä molekyylimallinnukseen ja siitä saatujen tulosten analysointiin. Teorialuku on kirjallisuuskatsaus selluloosasta ja siitä eristetystä nanoselluloosasta yleisellä tasolla. Luvussa käydään läpi selluloosan lähteitä, ominaisuuksia ja kiderakenteen ilmenemismuotoja eli polymorfoita. Luvussa esitellään muutama yleinen menetelmä nanoselluloosan erottamiseen selluloosasta. Nanoselluloosan pinnan funktionalisoimismenetelmistä esitellään TEMPO-hapetus. Sen lisäksi teorialuvussa määritellään nanoselluloosapartikkelien eri tyypit ja niiden eri ominaisuuksia. Nanoselluloosapartikkelityypeistä keskitytään nanoselluloosakuituihin (CNF), nanoselluloosakiteisiin (CNC) ja bakteeripohjaiseen nanoselluloosaan (BNC). Ominaisuuksista esitellään lukuarvoin kimmokerroin kahdessa eri suunnassa, vetolujuus sekä kiteisyysaste. Luvussa esitellään myös lyhyesti nanoselluloosan 3D-tulostussovelluksia ja perehdytään yleisellä tasolla 3D-biotulostuksen tekniikoihin. Luvun lopussa käydään lyhyesti läpi molekyylidynamiikkaa hyödyntävän mallinnuksen teoriaa ja esitellään kaksi molekyylidynamiikkaan perustuvaa tutkimusta.

Työn loppuosassa käydään läpi selluloosalle tehty molekyylidynamiikkaa hyödyntävä molekyylimallinnus ja -simulointi GROMACS-ohjelmistolla. Simuloinnin tavoitteena oli esitellä molekyylimallinnuksen mahdollisuuksia, sekä luoda arvosarjoja kuvaamaan systeemiä. Mallinnuksessa luotiin hyviä ja näyttäviä kuvia selluloosamolekyyliketjuista. Kuvien avulla pystyttiin tarkastelemaan paremmin selluloosamolekyylin atomien ja sidosten avaruudellisia suuntautumisia sekä eri molekyyliketjutasoja. Mallinnuksesta tehdyn simuloinnin avulla pystyttiin luomaan kuvaajia esimerkiksi systeemin lämpötilasta, kokonaisenergiasta ja vierekkäisten atomien esiintymisen todennäköisyystiheyksistä.