Probing crystal structure and mesoscale assembly of cellulose microfibrils in plant cell walls, tunicate tests, and bacterial films using vibrational Sum Frequency Generation (SFG) spectroscopy

文献情報

出版日 2014-04-24
DOI 10.1039/C4CP00515E
インパクトファクター 3.676
著者

Christopher M. Lee, Kabindra Kafle, Yong Bum Park, Seong H. Kim


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要旨

This study reports that the noncentrosymmetry and phase synchronization requirements of the sum frequency generation (SFG) process can be used to distinguish the three-dimensional organization of crystalline cellulose distributed in amorphous matrices. Crystalline cellulose is produced as microfibrils with a few nanometer diameters by plants, tunicates, and bacteria. Crystalline cellulose microfibrils are embedded in wall matrix polymers and assembled into hierarchical structures that are precisely designed for specific biological and mechanical functions. The cellulose microfibril assemblies inside cell walls are extremely difficult to probe. The comparison of vibrational SFG spectra of uniaxially-aligned and disordered films of cellulose Iβ nanocrystals revealed that the spectral features cannot be fully explained with the crystallographic unit structure of cellulose. The overall SFG intensity, the alkyl peak shape, and the alkyl/hydroxyl intensity ratio are sensitive to the lateral packing and net directionality of the cellulose microfibrils within the SFG coherence length scale. It was also found that the OH SFG stretch peaks could be deconvoluted to find the polymorphic crystal structures of cellulose (Iα and Iβ). These findings were used to investigate the cellulose crystal structure and mesoscale cellulose microfibril packing in intact plant cell walls, tunicate tests, and bacterial films.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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