《探究纤维素纳米晶体干燥行为：揭示表面修饰对水分残留的影响及干燥机制》

推荐 为解决纤维素纳米晶体（CNCs）干燥过程中水分残留影响应用的问题，研究人员开展研究。通过分子模拟和实验干燥，发现不同表面修饰的CNCs干燥后水分残留不同，TEMPO - 改性CNCs因表面基团保留较多水，为相关应用提供依据。

　　

论文解读
在当今材料科学领域，纤维素作为一种地球上最为丰富的有机分子，其衍生物纤维素纳米晶体（Cellulose Nanocrystals，CNCs）凭借独特的机械和理化特性，在先进材料领域得到了广泛应用。然而，CNCs与水的相互作用，尤其是在干燥过程中的表现，却一直是困扰科研人员的难题。由于CNCs中存在结合水，这给其加工、储存以及在对湿度敏感的应用场景中带来了诸多挑战。为了深入探究这一问题，国外某研究机构的研究人员开展了相关研究。

研究人员采用了分子模拟和实验干燥相结合的方法。在分子模拟方面，运用混合巨正则蒙特卡罗（Grand Canonical Monte Carlo，GCMC）和分子动力学（Molecular Dynamics，MD）模拟技术，对不同表面修饰（天然和TEMPO - 改性）的CNCs在不同热力学条件下的水蒸发过程进行模拟。实验干燥则采用了多种常规干燥技术，并结合低压力（≤1 mbar）和高温（110 °C）等条件进行测试。

研究结果表明，对于天然CNCs，在低压力（≤1 mbar）和高温（110 °C）的条件下，能够实现完全干燥，达到无水状态（水分含量≤0.04 %）。这是因为在这种条件下，水分获得了足够的能量克服与纤维素分子间的相互作用力，从而实现快速蒸发。而对于TEMPO - 改性的CNCs，由于其表面存在羧酸盐基团，这些基团与水分子之间形成了较强的静电相互作用，导致即使在相同的干燥条件下，仍有1 - 7 wt%的水分残留。这种结合水通常被称为“难以去除”（Hard - to - Remove，HR）水，其存在与纤维素网络中的孔隙结构以及表面基团的性质密切相关。

在讨论部分，研究人员指出，纤维素材料中存在不同类型的水，包括自由水、冻结结合水、非冻结结合水和被困水等。其中，结合水和被困水由于与纤维素分子间存在较强的相互作用，需要较高的能量输入才能去除。虽然目前已经有多种干燥方法可用于纤维素材料的干燥，如烘箱干燥、喷雾干燥、冷冻干燥和超临界干燥等，但这些方法在去除结合水方面往往存在一定的局限性。此外，干燥过程还可能对CNCs的表面基团产生影响，进而导致其性能发生变化。因此，深入理解干燥过程以及不同表面修饰对水分残留的影响，对于优化CNCs的干燥工艺、提高其应用性能具有重要意义。

这项研究的重要意义在于，它为CNCs的干燥处理提供了理论依据和实践指导。在实际应用中，根据不同的需求选择合适的干燥条件，可以有效控制CNCs中的水分含量，从而保证其性能的稳定性和可靠性。例如，在一些对湿度敏感的应用场景中，如电子器件的封装材料，需要尽可能降低CNCs中的水分含量，以避免因水分引起的性能下降。同时，对于表面修饰的CNCs，需要充分考虑其表面基团与水的相互作用，选择合适的干燥方法，以确保其功能特性不受影响。

此外，该研究还为进一步探索纤维素材料的结构和性能关系提供了新的视角。通过研究不同表面修饰对CNCs干燥行为的影响，可以深入了解纤维素分子间的相互作用以及表面基团的作用机制，为开发新型纤维素材料提供理论支持。同时，这项研究也有助于推动纤维素材料在更多领域的应用，如在生物医学领域，CNCs可以作为药物载体、组织工程支架等，而对水分含量的精确控制对于其生物相容性和功能发挥至关重要。

综上所述，这项研究通过深入探究CNCs的干燥行为，揭示了表面修饰对水分残留的影响及干燥机制，为CNCs的应用提供了重要的理论基础和实践指导。随着对纤维素材料研究的不断深入，相信未来会有更多的创新成果涌现，为推动材料科学的发展做出更大的贡献。该研究论文发表在《Carbohydrate Polymers》上。