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2022 Fiscal Year Annual Research Report

セルロースナノファイバーの精密構造解析

Research Project

Project/Area Number 21H04733
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

齋藤 継之  東京大学, 大学院農学生命科学研究科(農学部), 教授 (90533993)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 小林 加代子  京都大学, 農学研究科, 助教 (00806416)
Project Period (FY) 2021-04-05 – 2025-03-31
Keywordsセルロースナノファイバー / 結晶性 / 欠陥
Outline of Annual Research Achievements

木材のパルプ繊維をミクロフィブリル単位または微細なミクロフィブリル束にまで解きほぐすとセルロースナノファイバー(CNF)となる。CNF1本の幅は2~3 nmと非常に細いため断面の直接観察は困難であり、断面形状の決定には至っていない。しかしながら、断面形状は繊維材料の重要な構造特性であり、繊維の力学的および光学的な性質を支配する。さらに、断面の形が異なれば、CNF表面における分子鎖の数や向きも異なる。すなわち、CNF1本の断面形状は、CNF材料 の機能設計や他素材との複合化において必須の知見といえる。そこで本研究では原子間力顕微鏡(AFM)像の画像解析によってCNFの形状を統計的に評価し、その断面形状を推定することを目的とした。

AFM観察で得られたデータは画像解析を用いてCNF部分とその中心線を抽出し、広い観測範囲からCNFの高さ情報を取得した。一方、これまでに提案されている有力な断面モデルを仮定し、測定され得る高さ範囲についてのシミュレーションを行った。これらを比較した結果、観測された高さ分布はいずれの断面モデルでシミュレーションされる高さ範囲よりも広いことがわかった。しかしながらCNFが重なったような部分を除くと、観測データの上限は18本鎖の断面モデルのシミュレーション結果とよく一致した。一方、断面モデルよりも低く観測される箇所が30~40%存在することがわかった。これはCNF表面に凹みが存在する、すなわち分子鎖が欠落したような欠陥が存在することを示唆していた。以上より、AFM観察による統計的なCNFの高さ解析の結果は18本鎖の断面モデルを支持しており、そこには凹み状の欠陥が存在することが明らかになった。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

計画書に記載のとおり、2022年度は断面形状の解析に注力し、最適な断面モデルを提案するとともに、欠陥部の定量化まで進めることができた。

Strategy for Future Research Activity

計画書に記載のとおり、2023~2024年度はセルロースナノファイバーの表面構造と欠陥構造の解析に取り組む。特に2023年度は、表面構造の原子分解能解析に注力する。

  • Research Products

    (20 results)

All 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (8 results) (of which Peer Reviewed: 8 results,  Open Access: 3 results) Presentation (9 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results,  Invited: 9 results) Remarks (2 results)

  • [Int'l Joint Research] Stockholm University(スウェーデン)

    • Country Name
      SWEDEN
    • Counterpart Institution
      Stockholm University
  • [Journal Article] Effect of nanocellulose length on emulsion stabilization and microparticle synthesis2023

    • Author(s)
      Fujisawa Shuji、Tanaka Reina、Hayashi Yumi、Yabuhara Yasushi、Kume Makoto、Saito Tsuguyuki
    • Journal Title

      Polymer Journal

      Volume: 55 Pages: 223~228

    • DOI

      10.1038/s41428-022-00748-3

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Fully Wood-Based Transparent Plates with High Strength, Flame Self-Extinction, and Anisotropic Thermal Conduction2023

    • Author(s)
      Ishioka Shun、Isobe Noriyuki、Hirano Takayuki、Matoba Nobuhiro、Fujisawa Shuji、Saito Tsuguyuki
    • Journal Title

      ACS Sustainable Chemistry & Engineering

      Volume: 11 Pages: 2440~2448

    • DOI

      10.1021/acssuschemeng.2c06344

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Evaluating the Emulsifying Capacity of Cellulose Nanofibers Using Inverse Gas Chromatography2023

    • Author(s)
      Yagita Tomohito、Ito Tomoki、Hirano Takayuki、Toyomasu Takayuki、Hasegawa Sai、Saito Tsuguyuki、Fujisawa Shuji
    • Journal Title

      Langmuir

      Volume: 39 Pages: 4362~4369

    • DOI

      10.1021/acs.langmuir.2c03369

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Chitin nanofiber-coated biodegradable polymer microparticles via one-pot aqueous process2023

    • Author(s)
      Kaku Yuto、Isobe Noriyuki、Ogawa Nanako O.、Ohkouchi Naohiko、Ikuta Tetsuro、Saito Tsuguyuki、Fujisawa Shuji
    • Journal Title

      Carbohydrate Polymers

      Volume: 312 Pages: 120828~120828

    • DOI

      10.1016/j.carbpol.2023.120828

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Counterion-Dependent Material Properties of Phosphorylated Nanocellulose2023

    • Author(s)
      Zhao Mengchen、Fujisawa Shuji、Saito Tsuguyuki
    • Journal Title

      Biomacromolecules

      Volume: 24 Pages: 1881~1887

    • DOI

      10.1021/acs.biomac.3c00066

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Atomic-scale dents on cellulose nanofibers: the origin of diverse defects in sustainable fibrillar materials2022

    • Author(s)
      Ito Tomoki、Daicho Kazuho、Fujisawa Shuji、Saito Tsuguyuki、Kobayashi Kayoko
    • Journal Title

      Nanoscale Horizons

      Volume: 7 Pages: 1186~1191

    • DOI

      10.1039/D2NH00355D

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Structure of Polymer-Grafted Nanocellulose in the Colloidal Dispersion System2022

    • Author(s)
      Fujisawa Shuji、Takasaki Yuichi、Saito Tsuguyuki
    • Journal Title

      Nano Letters

      Volume: 23 Pages: 880~886

    • DOI

      10.1021/acs.nanolett.2c04138

    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Journal Article] Linear Correlation between True Density and Crystallinity of Regenerated and Mercerized Celluloses2022

    • Author(s)
      Daicho Kazuho、Fujisawa Shuji、Saito Tsuguyuki
    • Journal Title

      Biomacromolecules

      Volume: 24 Pages: 661~666

    • DOI

      10.1021/acs.biomac.2c01067

    • Peer Reviewed
  • [Presentation] Monitoring crystallite fusion of nanocellulose in network densification2023

    • Author(s)
      Tsuguyuki Saito, Yoshinori Doi, Kazuho Daicho
    • Organizer
      5th Stockholm-Tokyo Workshop
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Transparent, High-Strength, and Moldable Plates of Self-Adhesive Nanocellulose Laminate2022

    • Author(s)
      Tsuguyuki Saito, Shun Ishioka
    • Organizer
      Nanocellulose Seminar at Royal Institute of Technology
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Pursuing the potential of cellulose nanofibers through assembly controls2022

    • Author(s)
      Tsuguyuki Saito, Kazuho Daicho, Wataru Sakuma, Shun Ishioka
    • Organizer
      Nanocellulose days 2022
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] Recent progress in structural understanding of cellulose nanofibers2022

    • Author(s)
      Tsuguyuki Saito, Kazuho Daicho
    • Organizer
      Eco-friendly Polymeric Materials Seminar
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] CNF学術研究の新局面:構造理解と成形加工の大転換2022

    • Author(s)
      齋藤継之
    • Organizer
      化学工業日報・CNF特別講演会
    • Invited
  • [Presentation] 農学と木とナノテクノロジー2022

    • Author(s)
      齋藤継之
    • Organizer
      埼玉県立大宮高等学校・大学セミナー
    • Invited
  • [Presentation] TEMPO酸化CNFの結晶性制御と欠陥構造, 及びフィルム・多孔体・複合体の最新成果2022

    • Author(s)
      齋藤継之
    • Organizer
      富士市CNFプラットフォームセミナー
    • Invited
  • [Presentation] TEMPO酸化CNFの構造制御と機能展開2022

    • Author(s)
      齋藤継之
    • Organizer
      ナノセルロースジャパン・ナノセルロース塾第5期
    • Invited
  • [Presentation] セルロースナノファイバーの構造解析と成形加工の最先端2022

    • Author(s)
      齋藤継之
    • Organizer
      第16回多糖の未来フォーラム
    • Invited
  • [Remarks] セルロースナノファイバーから、アルミニウム合金並の強度と自己消火性を兼ね備えた、透明な板材を開発

    • URL

      https://www.a.u-tokyo.ac.jp/topics/topics_20230217-1.html

  • [Remarks] セルロースナノファイバーに生じた原子レベルの欠陥構造を発見

    • URL

      https://www.a.u-tokyo.ac.jp/topics/topics_20221006-1.html

URL: 

Published: 2023-12-25  

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