Väitös biotuotetekniikan alalta, MSc Marcel Kröger

Väitöskirjan nimi: Insights into the dissociation kinetics of phosphorylated nanocellulose through conductometry

Väittelijä: Marcel Kröger
Vastaväittäjä: Prof. Yuki Uematsu, Kyushu Institute of Technology, Japani
Kustos: Prof. Eero Kontturi, Aalto-yliopiston kemian tekniikan korkeakoulu

Selluloosan nanokiteet ovat kiteisiä, sauvanmuotoisia hiukkasia, joita voidaan eristää natiiveista selluloosakuiduista happohydrolyysin avulla. Nanokidedispersioiden kolloidaalinen stabiilius voidaan saavuttaa lisäämällä niiden pintaan varautuvia funktionaalisia ryhmiä, jotka aiheuttavat sähköstaattista repulsiota hiukkasten välillä. Siksi hiukkasmorfologian lisäksi yksi selluloosan nanokiteiden tärkeimmistä ominaisuuksista on pintavarauksen suuruus. Tässä tapauksessa fosfaattiestereitä sisältävät nanoselluloosat ovat erityisen kiinnostavia, koska niillä on mahdollisesti korkea varaus ja hyvät valmiudet ionien sieppaukseen, biomineralisaatioon, ja ne kestävät kuumuutta kuivissa olosuhteissa paremmin kuin muunlaiset selluloosan nanokiteet.

Tässä väitöskirjassa esitetään menetelmä, joka tuottaa helposti ja toistettavasti korkean substituutioasteen fosforyloituja selluloosananokiteitä suurilla saannoilla. Fosforylaatioasteen määritys alkuaineanalyysillä on kuitenkin ristiriidassa konduktometrisen titrauksen avulla tehdyn varausmäärityksen kanssa. Tämä johtuu nykyisen menetelmän puutteista, jotka jättävät huomiotta niin sanotun vastaionikondensaation vaikutuksen.

Vastaionikondensaation kvantitatiivinen vaikutus pystyttiin huomioimaan kehittämällä teoreettinen malli fosfaattipuoliestereiden dissosiaatiolle selluloosan nanokiteiden pinnalla. Näin pystyttiin myös yhteensovittamaan tulokset alkuaineanalyysistä ja konduktometrisesta titrauksesta. Malli pystyy ennustamaan mitatut johtavuudet kohtuullisella tarkkuudella, ja se antaa realistisen kuvan pintaryhmien dissosiaatiokäyttäytymisestä. Kehitetty malli esittää kvantitatiivisesti, kuinka saavutettava pintavaraus on selvästi pienempi kuin pinnassa olevien fosfaattiryhmien määrä antaisi ymmärtää. Tämä taas vaikuttaa suoranaisesti nanokiteiden kapasiteettiin sovelluksissa, jotka keskittyvät ioninvaihtoon tai ionien sieppaukseen. Lisäksi väitöskirjassa osoitetaan erityisesti, kuinka kaksiarvoiset Ca2+-ionit saavat aikaan fosfaattipuoliestereiden kanssa ioninvaihtoprosesseja, jotka pystytään todentamaan konduktometrisissa mittauksissa. Nämä kokeellisesti todetut vaikutukset ovat taas yhtäpitäviä mallinnetun datajoukon kanssa.

Väitöskirjan tulokset auttavat syventämään nykyistä ymmärrystä nanopartikkelien pintavarauksesta yleensä ja korjaamaan nykyistä konduktometristen titrauskäyrien analysointimenetelmää. Spesifisemmin näin voidaan ymmärtää ja tasoittaa sellaisten  tutkimustulosten erovaisuuksia ja epäloogisuuksia.

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aaltodoc