Modélisation moléculaire des Nanocelluloses



Les objectifs de ce projet de recherche étaient d'établir un modèle moléculaire tridimensionnel des Celluloses Nano Cristallines (CNC), de calculer et modéliser les propriétés spectroscopiques et optiques de ces modèles, d'évaluer in silico les modifications de ces propriétés en regard des modifications chimiques sur la structure, et ce préalablement à leur synthèse en laboratoire, d'étudier la stabilité à long terme des CNC, spécialement les films colorés, exposés au photojaunissement. Tout ceci afin d'augmenter le développement d'applications grâce à une meilleure prédiction du comportement des CNC grâce à la modélisation.

Études spectroscopiques : Nous avons démontré expérimentalement que des films de CNC présentaient des comportements différents dans la région UV-Visible, de même qu'un fort effet de polarisation. Toutes nos expérimentations ont démontré que les films de CNC présentent une inertie totale envers le rayonnement ultraviolet auquel le papier et les matériaux lignocellulosiques sont habituellement sensibles. Il n'y a aucune photodégradation observée dans des conditions extrêmes d'illumination simulant plus d'une année complète d'exposition au soleil.

Validation des champs de force : Les travaux ont porté principalement sur la forme cristalline la plus stable. Le réseau cristallin est modélisé en utilisant le module de mécanique classique Forcite, qui inclut le champ de force PCFF ainsi que COMPASS, qui ont été définis pour une variété de composés, dont les polysaccharides. Toutefois, ces champs de force n'ont pas été validés pour reproduire la structure cristalline de la cellulose. Nos travaux ont démontré que les deux champs de force sont adéquats pour reproduire le comportement de la cellulose dans sa forme cristalline.

Interactions entre groupements fonctionnels l'eau et des ions : Dans cette phase, nous étudions, à l'aide de la méthode DFT (Density Functional Theory  - Théorie de la fonctionnelle de la densité), les interactions entre les divers groupements chimiques (hydroxyle [ OH], carboxylate [ COO-] et sulfonate [-OSO3-]) se retrouvant à la surface des CNC suite à leur fabrication, l'eau et les ions (sodium dans un premier temps) présents. Cette phase est importante pour nous permettre de comprendre l'empilement tridimensionnel des CNC tel qu'obtenu en laboratoire. De telles modélisations nous permettent de mettre en évidence les distances critiques responsables de l'auto assemblage des CNC en fonction des différents groupements fonctionnels.

Dans un premier temps, nous avons déterminé quelle fonctionnelle était la plus adéquate. Ensuite, nous avons pu établir que lorsque l'eau et les ions sodium sont présents, nous avons trouvé une structure intermédiaire stabilisée par l'ion sodium sous forme de sandwich. Cette structure dépend des interactions dipôle-cation et dipôle-cation-anion.

L'arrangement est ensuite stabilisé par l'éjection de l'ion sodium hors de l'axe d'interaction, rapprochant les autres molécules, permettant la création d'un lien hydrogène entre l'eau et l'anion. La stabilité des complexes de plus basse énergie suit l'ordre COO- < OSO3- < OH et pourrait expliquer l'ordre de stabilité des dispersions aqueuses de CNC tel qu'observé dans les laboratoires de FPInnovations.

Ces travaux ouvrent la porte à de nombreux autres projets de recherche portant notamment sur : la simulations sur une échelle de temps plus longue (quelques dizaines de nanosecondes), l'addition d'autres ions (Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Al3+), l'augmentation de la taille de la partie organique, l'ajout des molécules d'eau pour mimer la cage de solvatation des ions, etc.

Notre collaborateur chez FPInnovations, le Dr Jean Bouchard, continue de développer de nouvelles variantes des CNC. Nous inclurons leurs résultats dans nos modèles ultérieurs afin de les affiner.

Modélisation Mésoscale : Nous avons établi une nouvelle définition des perles mésoscale en accord avec la littérature. Ces perles, plus petites que celles utilisées lors de nos simulations DPD (Dissipative Particle Dynamic), nous permettent une meilleure corrélation avec les modélisations quantiques effectuées en DFT. Pour ce faire, nous disposons maintenant de nouvelles ressources informatiques plus performantes via Calcul Québec et Compute Canada.

Nous sommes heureux et fiers d'annoncer que notre modèle correspond parfaitement aux données expérimentales publiées dans la littérature.

Il est aussi intéressant de constater que la présence de groupements sulfate en surface cause une orientation prévue des ions entourant la particule de CNC. Afin de comprendre l'étendue et l'importance des modifications que les groupements de surface apportent à la structure et à l'agrégation des CNC, nous avons porté une attention toute particulière aux groupements carboxylate et sulfate et leurs interactions avec les molécules d'eau et les groupements hydroxyles.

Nous pouvons constater une forte interaction intramoléculaire à la surface de la CNC, et nous croyons que c'est cette interaction qui est la cause des modifications des qualités de surface des CNC. Ces interactions sont encore plus fortes dans le cas des CNC sulfatées.

Conclusion : Nous sommes heureux et fiers d'affirmer que nous avons rencontré les objectifs que nous avions fixés et que nous les avons même surpassés. De plus, nos résultats ouvrent la voie à de nouveaux travaux potentiellement forts intéressants en modélisation moléculaire, présentant une excellente corrélation avec les travaux en laboratoire.

Chercheur responsable

Sylvain Robert, Université du Québec à Trois-Rivières

Équipe de recherche

  • Véronic Landry (Université Laval)
  • Bernard Riedl (Université Laval)

Durée

2010-2013

Montant

118 775 $

Partenaire financier

  • ArboraNano

Appel de propositions

Nanotechnologies pour le secteur forestier