Η κυτταρίνη, το πιο άφθονο φυσικό πολυμερές στη Γη, αποτελεί τη δομική βάση των κυτταρικών τοιχωμάτων των φυτών. Οι μοναδικές της ιδιότητες την καθιστούν πολύτιμη για υφάσματα, χαρτί, βιοϋλικά και εφαρμογές ενέργειας. Ωστόσο, η υψηλή κρυσταλλικότητα της κυτταρίνης και το ισχυρό δίκτυο δεσμών υδρογόνου την καθιστούν αδιάλυτη σε συμβατικούς διαλύτες, περιορίζοντας τις βιομηχανικές της δυνατότητες.

Πρόσφατη έρευνα έχει εντοπίσει διαλύματα αλάτων λιθίου - ιδιαίτερα το βρωμιούχο λίθιο (LiBr) - ως πολλά υποσχόμενα συστήματα διαλυτών για τη διάλυση της κυτταρίνης. Αυτό το άρθρο αναλύει τους μηχανισμούς, τη δυναμική, τους παράγοντες που επηρεάζουν, τις εφαρμογές και τις προκλήσεις της διάλυσης κυτταρίνης με βάση το LiBr από μια προοπτική που βασίζεται σε δεδομένα.

Τα ιόντα λιθίου (Li+) έχουν εξαιρετικά υψηλή πυκνότητα φορτίου ( 52 C·mm ^-3 ), σημαντικά μεγαλύτερη από τα ιόντα νατρίου ( 12 C·mm ^-3 ) ή τα ιόντα καλίου ( 7 C·mm ^-3 ). Αυτό επιτρέπει την ισχυρή συντονισμό με τις υδροξυλομάδες της κυτταρίνης, διαταράσσοντας τους ενδομοριακούς δεσμούς υδρογόνου.

Οι δεσμοί υδρογόνου της κυτταρίνης ( 20-40 kJ/mol ανά δεσμό) δημιουργούν μια ισχυρή κρυσταλλική δομή. Ο συντονισμός Li+ αποδυναμώνει αυτές τις αλληλεπιδράσεις, με την πλήρη διαταραχή του δικτύου να συμβαίνει σε επαρκείς συγκεντρώσεις Li+.

Πολικοί απρωτικοί διαλύτες όπως το DMSO και το DMAc ενισχύουν τη διάλυση σταθεροποιώντας τα Li+ και τις διαλυμένες αλυσίδες κυτταρίνης. Τα βέλτιστα συστήματα διαλυτών συνδυάζουν υψηλές διηλεκτρικές σταθερές με κατάλληλες παραμέτρους διαλυτότητας.

Η ικανότητα διάλυσης ποικίλλει σημαντικά μεταξύ των αλάτων λιθίου:

• Αποτελεσματικοί διαλύτες: LiI, LiBr, LiSCN, LiClO ₄
• Μόνο διογκωτικοί παράγοντες: LiCl, LiNO ₃

Τα μεγαλύτερα ανιόντα με λιγότερο πυκνό φορτίο σε αποτελεσματικούς διαλύτες ελαχιστοποιούν τον ανταγωνισμό για θέσεις συντονισμού Li+.

Τα εναιωρήματα μικροκρυσταλλικής κυτταρίνης (MCC) μεταβαίνουν από αδιαφανή σε διαφανή κατά τη διάρκεια της διάλυσης. Οι μετρήσεις θολερότητας δείχνουν ότι αυτή η διαδικασία απαιτεί συνήθως 2-4 ώρες στους 80-100°C.

Η μικροσκοπία πολωμένου φωτός αποκαλύπτει προοδευτική μείωση του μεγέθους των κρυσταλλικών τομέων, με την πλήρη εξαφάνιση να συσχετίζεται με την πλήρη διάλυση.

Εμφανίζονται τρεις διακριτές φάσεις ιξώδους:

1. Φάση διασποράς: Ελάχιστη αύξηση ιξώδους (0-30 λεπτά)
2. Ταχεία διάλυση: Αιχμές ιξώδους (30-120 λεπτά)
3. Αποδόμηση: Σταδιακή μείωση ιξώδους (>120 λεπτά)

Η ανάλυση Arrhenius αποκαλύπτει ενέργειες ενεργοποίησης διάλυσης 40-60 kJ/mol , υποδεικνύοντας σημαντική ευαισθησία στη θερμοκρασία. Οι βέλτιστες θερμοκρασίες εξισορροπούν τον ρυθμό διάλυσης έναντι της αποδόμησης της κυτταρίνης.

Η κυτταρίνη υψηλότερου DP ( >500 μονάδες γλυκόζης ) παρουσιάζει αισθητά βραδύτερη κινητική διάλυσης λόγω αυξημένης εμπλοκής αλυσίδων και δεσμών υδρογόνου.

Μικρότερα σωματίδια ( <50 μm ) διαλύονται έως και 3× γρηγορότερα από τα μεγαλύτερα λόγω αυξημένων αναλογιών επιφάνειας προς όγκο.

Η ελεγχόμενη προσθήκη οξέος ( 0.1-1.0 M ) μπορεί να μειώσει το χρόνο διάλυσης κατά 50-70% μέσω:

• Υδρόλυση γλυκοζιτικών δεσμών (μείωση DP)
• Πρωτονίωση υδροξυλομάδων (αποδυνάμωση δεσμών υδρογόνου)

Τα διαλύματα LiBr επιτρέπουν την τροποποίηση των ινών για βελτιωμένη πρόσληψη χρωστικών και λειτουργικές ιδιότητες.

Η διαλυμένη κυτταρίνη χρησιμεύει ως πρόδρομος για μεμβράνες, υδρογέλες και νανοΐνες σε ιατρικές εφαρμογές.