Morphometric Study of Bio-Based Particles and Their Interactions

Kiintoainepartikkelien morfologialla on tärkeä rooli eri teknologisissa sovelluksissa. Tässä väitöskirjassa esitellään biopohjaisten kiintoainepartikkelien uusia valmistusmenetelmiä käyttäen lähtöaineina luonnossa runsaasti esiintyviä materiaaleja, kuten ligniiniä, tanniinia ja kitiiniä. Työssä tutkittiin partikkelien morfologiaa sekä vuorovaikutuksia tavoitteena edistää biopohjaisten materiaalien laajempaa hyödyntämistä. Julkaisuissa I ja IV tutkimuksen kohteena olivat poimumaiset ligniinipartikkelit. Julkaisu I käsittelee niiden aerosolipohjaista valmistusmenetelmää ja morfologian kolmiulotteista karakterisointia kryoelektronitomografian avulla. Partikkelien pinta-alan ja tilavuuden lisäksi analyysimenetelmällä määritettiin pinnanmuodon poimuttumisen jakautuminen eri aallonpituuksille. Julkaisussa IV tuloksia hyödynnettiin partikkelien kolloidaalisten vuorovaikutusten laskennassa. Pinnan epätasainen muoto tuottaa suuruudeltaan vahvempia tai heikompia vuorovaikutuksia riippuen partikkelipinnan paikallisesta muodosta verrattuna samankokoiseen pyöreään partikkeliin. Tulokset korostavat morfologian suunnittelun tärkeyttä poimumaisia partikkeleita hyödyntävien sovellusten lähtökohtana. Julkaisussa II tutkittiin tanniinihapon emäksisestä liuoksesta valmistettujen partikkelien morfologioiden ja prosessiparametrien välisiä suhteita. Yksinkertainen, vihreä valmistusmenetelmä mahdollisti laajan morfologisen kirjon sisältäen sauva-, laatta- ja särmiömäisiä muotoja. Pääkomponenttianalyysi osoittaa, että liuoksen pH ja käytetyn emäksen vahvuus vaikuttavat partikkeleiden sauvamaisuuteen ja reaktiotuotteen saantoon, kun taas suurempi emäksen kationin koko pienentää partikkelikokoa. Julkaisussa III tutkittiin ravun kuoresta eristettyjen kuivumattomien kitiininanokiteiden kierteisyyttä kryoelektronitomografian ja pääkomponenttianalyysiin perustuvan menetelmän avulla. Morfologian kierteisyydellä ei havaittu olevan yksiselitteistä kätisyyttä, mikä voi viitata materiaalin kuivumishistorian merkittävyyteen kierteisyyden syntymekanismissa. Tämän oletetaan johtuvan nanokiteiden kitiinimolekyylien välisten ja sisäisten vetysidosverkostojen muodostumisen estymisestä läsnäolevan veden seurauksena. Tässä väitöskirjassa saadut tulokset partikkelien morfologiasta ja niiden vuorovaikutuksista odotetaan edesauttavan biopohjaisten materiaalien käyttöönottoa monissa sovelluskohteissa kuten muun muassa partikkelipinnoitteissa, komposiiteissa ja Pickering-emulsioissa.