Fabricating cellulose nanocomposites for structural coloration

Målet med prosjektet er å utvikle originale, miljøvennlige, nano-strukturerte overflater og belegg med fabrikkert optisk funksjonalitet for å kontrollere farger ved refleksjon av lys. Overflatene og beleggene vil bli fremstilt fra kostnadseffektive naturlige materialer som cellulose eller leire, noe som muliggjør miljøvennlige fargede overflater med forbedret energieffektivitet, og dermed kan gi nyskapende teknologi for design eller arkitektur. Prosjektet er samordnet fra Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU) i Trondheim, og partnerne som representerer ulike fagområder og industriområder er: I Norge: Institutt for energiteknologi (IFE) i Kjeller, SME Giamag Technologies, et stort industriselskap Borregaard AS og design- og arkitektfirmaet Snøhetta Oslo AS. Fra Portugal er partnerne: NOVA.id:FCT og Instituto Superior Tecnico (IST-ID), begge i Lisboa. I perioden 2017-18 fokuserte prosjektet hovedsakelig på å lage strukturelt fargede filmer basert på nanocellulose og nanoleire. Det er kjent at cellulose nanokrystaller (CNC) presenterer iridescens og selektiv refleksjon av venstre sirkulært polarisert (LCP) lys. Det er også velkjent at vann suspensjoner av leire nanoplater kan danne en nematisk flytende krystallinsk faser. I prosjektet har vi blandet forskjellige mengder av cellulose nano-staver med leire nematiske flytende krystallinske suspensjoner. Over en viss kritisk konsentrasjon av cellulose er suspensjonene iridesente med en venstre-vridd nanostruktur. Faste filmer ble fremstilt fra løsningene. Vi har vist at ikke bare iridiserende filmer kan produseres, men også at selektiv refleksjon av LCP-lyskanalen er bevart. Fargene som reflekteres av filmene kan variere fra blått til rødt, avhengig av mengden av CNC. Dette demonstrerer at chiraliteten, på nanoskala transformeres til fotoniske faste filmer fremstilt fra vann suspenderte CNCs / leire suspensjoner. Suspensjonene og de faste filmene er karakterisert ved bruk av forskjellige teknikker som SEM, AFM og POM. I løpet av 2019-20 ble arbeidet fra 2017-18 utvidet, og i tillegg begynte prosjektet å bruke andre cellulose-nanokrystall (CNC) staver avledet fra forskjellige bomullsbasekilder (cellulosemikrokrystallinsk (Avicel® Ph 101) og filterpapir), og spesielt også fra Exilva cellulose fra Borregaard. Cellulose nanostaver ble isolert fra de industrielle prøvene vha et sett med reaksjoner med forskjellige eksperimentelle hydrolysebetingelser (konsentrasjon av syre og reaksjonstid). Et sett med teknikker ble brukt for å karakterisere den opprinnelige industrielle prøven og de produserte materialene (FTIR, XRD, SEM, AFM, Elemental analyse, TG / DSC). Dette arbeidet ga fargede strukturfilmer fra vannløsninger. Ulike cellulosesystemer som kan generere strukturelle farger ble undersøkt, ikke bare systemer som reflekterer i det synlige området, men også strukturelle hvite materialer dannet av nanometriske fibre tilfeldig fordelt. Flytende krystaller begrenset mellom forskjellige geometrier og under påvirkning av ytre felt ble også undersøkt for bedre å forstå det flytende krystallinske CNC-systemet som er til grunn for strukturfargene. Andre fotoniske strukturer avledet fra CNCs/leire vann-suspensjoner ble fremstilt og suspensjonene med forskjellige forhold av fast innhold ble karakterisert ved hjelp av optisk mikroskopi, AFM, SEM, DSC og TGA. Lovende fotoniske stabile vann-suspensjoner, innkapslet mellom to flate glassflater, ble fremstilt fra 2 vekt% natriumfluorohektoritt (NaFh) med CNC. Følgende referanse gir et eksempel på konkret samarbeids-resultat fra prosjektet: «Photonic Composite Materials from Cellulose Nanorods and Clay Nanolayers», Ana C. Trindade, Miguel Carreto, Geir Helgesen, Kenneth D. Knudsen, Florian Puchtler, Josef Breu, Susete Fernandes, Maria Helena Godinho, Jon Otto Fossum, EUROPEAN PHYSICAL JOURNAL SPECIAL TOPICS 229, 2741?2755 (2020) Prosjektet hadde som mål å utvikle protokoller for forslag til oppskalert industriell produksjon at strukturelt fargede filmer basert på CNCer og kompositter av CNCer og leire. Dette arbeidet ble påbegynt, men ikke fulført i løpet av prosjektperioden pga Covid-19 situasjonen. Videre arbeid med dette vil videreføres i 2021. Prosjektet bidratt til 40 peer reviewed vitenskapelige publikasjoner, 1 bok, 2 abstract samlinger, 4 bok kapittel, 59 bidrag ved vitenskapelige konferanser, 7 mastergrader, 1 phd grad og 2 patenter.

Main objectives achieved included development of environmentally friendly routes for nanostructured materials used in structural coloration and reflection, and in the tailoring of nano-structured materials for responsive surfaces and coatings, for design and architecture. The surfaces and coatings were fabricated from cost effective natural materials. The originality of the work performed comprised: - Preparation and characterization of thin films from thermotropic, lyotropic and functionalized cellulose derivatives. - Preparation of micro- and nano cellulose-based anisotropic systems - Raise and solve physical-chemistry questions, at the fundamental level, related to the comprehension of patterns which develop in liquid crystals and cellulose-based liquid crystalline solutions, and the chirality inversion observed in cellulosic systems, at different length scales. The systems prepared were studied in solution and as casted solid films.

The aim of the project is to develop original, environmentally friendly, nano-structured surfaces and coatings with engineered optical functionality for coloration and reflection of light. The surfaces and coatings will be fabricated from cost effective natural materials like cellulose, and will allow for environmentally friendly energy control and improved energy efficiency, thus providing innovative technology for future delsign or architecture, beyond the lifetime of the project. The project is coordinated from the Norwegian University of Science and Technology (NTNU) in Trondheim Norway, and the partners representing the various academic and industrial areas are: In Norway: Institute for Energy Technology (IFE) in Kjeller, the SME Giamag Technologies, the large industrial company Borregaard AS, and the design and architectural firm Snøhetta Oslo AS. From Portugal the partners are: NOVA.id:FCT and Instituto Superior Tecnico ? IST-ID, both in Lisbon.