Smart and stimuli-responsive materials based on nanocellulose

Abstract

The development of cellulosic materials that respond to external stimuli while maintaining their structural integrity and meeting more sustainable objectives, is one of the current focus of the scientific community. The present thesis aims to produce films that react to stimuli, incorporating a CNC/HPC matrix and a nano-cellulosic derivative of azobenzene, the latter known for its responsive properties to various external stimuli such as light and temperature. Initially, a cross-linking agent was selected to avoid disintegration of the matrix if in contact with water, which resulted in the choice of citric acid. The chemical-physical, structural analysis, and stimuli- responsi tests carried out on the nanocomposite systems allowed confirming the presence of the chiral nematic structure, and, using the Circular Dichroism technique, the Pitch value of the structure of each film was estimated. The incorporation of HPC/CA promoted an increase in Pitch value, while the in- crease in AzoCNC solids content caused a decrease. The Thermogravimetric analysis allowed us to observe that higher concentrations of AzoCNC result in greater thermal stability of the films. Additionally, these films showed photosensitivity to temperature and UV light. Trans to cis isomerization is complete after 8 minutes, and a full reversibility of cis to trans in the absence of light and a partial reversibility under visible light conditions occurs, although over very long times (>19h). Cis-trans backswitch is faster (15 min) if a temperature of 60 ºC is used. Wettability tests were carried out in cis-trans states showed minimal variation in samples with low concentrations of AzoCNC, however, the cis conformation be- comes more hydrophilic for samples with higher concentrations. The work developed suggests that flexible CNC/HPC/CA/AZO-CNC films, which respond to various external stimuli, present promising properties for use in innovative technologies, particularly in sensor applications that use ultraviolet light and thermal energy.

O desenvolvimento de materiais celulósicos que respondam a estímulos externos, mantendo a sua integridade estrutural e cumprindo objetivos mais sustentáveis, é um dos focos atuais da comu- nidade científica. A presente tese tem como objetivo produzir membranas que reagem a estímulos, incorporando numa matriz de CNC/HPC e um derivado celulósico de azobenzeno, este último conhe- cido pelas suas propriedades de resposta a vários estímulos externos como luz e temperatura. Inicialmente, procedeu-se à seleção de um agente de reticulação de modo a evitar a desinte- gração da matriz, se em contato com a água, o que resultou na escolha do ácido cítrico. A análise químico-física, estrutural e ensaios de estímulo-resposta efetuada aos sistemas nanocompósito permi- tiu confirmar a presença da estrutura nemática quiral e, com a técnica de Dicroísmo Circular, foi esti- mado o valor do passo da estrutura de cada membrana. A incorporação de HPC/CA promoveu um aumento no valor do passo, enquanto o aumento do teor de sólidos de AzoCNC causou uma diminui- ção. A análise termogravimétrica permitiu observar que concentrações mais elevadas de AzoCNC re- sultam numa maior estabilidade térmica das membranas. Adicionalmente, estas membranas apresen- taram fotossensibilidade à temperatura e à luz UV. A isomerização trans-cis é total após 8 minutos, e uma reversibilidade total de cis-trans na ausência de luz e uma reversibilidade parcial sob condições de luz visible ocorre, embora em tempos muito longos (>19h). A retroversão cis-trans é mais rápida (15 min) se a temperatura de 60 ºC é utilizada. Testes de molhabilidade efetuados nos estados cis- trans apresentaram ruma variação mínima em amostras com concentrações baixas de AzoCNC, con- tudo a conformação cis torna-se mais hidrofílica para amostras com teor superiores. O trabalho desenvolvido sugere que as membranas flexíveis CNC/HPC/CA/AzoCNC, que res- pondem a vários estímulos externos, apresentam propriedades promissoras a serem usados em tec- nologias inovadoras, particularmente nas aplicações de sensores que utilizam luz ultravioleta e energia térmica.