离子液体阴阳离子有序剥离纤维素微丝的协同作用机理研究

In recent years, a variety of ionic liquids have demonstrated excellent ability to dissolve cellulose, providing a new pretreatment solvent for the development and utilization of cellulose. However, in the related fundamental research, the experiments concentrate on the dissolution effect at macroscopic scale, and the simulation researches concentrate on the atomic scale, which needs the exploration at nano-micro scale. Preliminary studies show that the peeling of cellulose microfibril is a key step in the process of dissolution. Aiming at this scientific problem, this project would develop a systematic study of the nanometer microfibril structure of cellulose and a combined atomic-coarse-grained coupling method to develop a large-scale molecular dynamics simulation of the dissolution process in ionic liquids. On the basis of this, the stripping order of cellulose single chain will be obtained and a new understanding of ordered process will be proposed, along with the use of electron microscope to verify the simulation conclusion. Then, a cross scale algorithm would be used to study the role of cation and anion in the process of peeling, and the synergistic mechanism of cation and anion will be elucidated by experiments. Finally, two co-solvents methyl sulfoxide and water, will be taken into consideration. The effects of different proportions of co-solvents on the peeling and dissolution of cellulose microfibril will be studied. This mechanistic research will provide scientific support for the design and synthesis of new ionic liquids and to promote the industrialization of cellulose processing using ionic liquids.

近年来，多种离子液体展现了优良的溶解纤维素能力，提供了一种开发利用纤维素的新型预处理溶剂。然而在相关基础研究中，实验太多集中在宏观尺度的溶解效果，模拟研究集中在小分子尺度，亟需纳微尺度的探索。前期研究表明，纤维素微丝的有序剥离是其溶解过程的关键步骤。本项目针对这一科学问题展开系统研究，从纤维素的纳米级微丝结构出发，开发联合原子-粗粒化模型耦合方法，开展微丝在离子液体中溶解过程的大规模分子动力学模拟。在此基础上，获得纤维素单链的剥离顺序，提出对溶解过程的新认识—有序剥离，并使用电镜验证模拟结论。然后采用跨尺度计算，研究阴阳离子在剥离过程中的作用机制，结合实验光谱表征阐明阴阳离子协同机理。最后，考虑二甲基亚砜(DMSO)和水这两种共溶剂，研究不同比例的共溶剂对于纤维素微丝剥离和溶解的影响。相关机理研究将为新型离子液体的设计合成和促进离子液体溶解纤维素产业化提供科学支撑。

离子液体被誉为新一代绿色溶剂，对木质纤维素等天然分子展现了良好的溶解效果，由于离子液体挥发度低、可设计、功能可调等优势，其在纤维素预处理或纺丝领域有着良好的应用前景。在相关机理研究中，研究对象往往局限在纤维素链，普遍认为是氢键导致了溶解，缺乏对整个纳微溶解过程的认识以及对阴阳离子具体调控机制的了解，且对降解知之甚浅，阻碍了新型离子液体的开发及相关工艺的产业化。在本青年基金的资助下，本项目采用多尺度理论计算和实验研究相结合的方法，对离子液体溶解纤维素微丝等典型纳微体系进行了深入的研究，主要研究成果有以下三个方面：采用大规模分子动力学模拟重现了离子液体溶解纤维素微丝的微观过程，发现溶解过程中氢键团簇的关键作用，阐明了阴阳离子有序剥离纤维素微丝的机理，并深入研究了特定离子液体体系重生纤维素微丝的过程；获得了多种新型离子液体及添加剂的联合原子力场，计算了多种离子液体以及添加剂体系与纤维素微丝的相互作用，揭示了新型离子液体及氨基酸添加剂体系速溶解低降解的机理；将机理研究手段拓展至木质素和蛋白领域，厘清了水含量对离子液体溶解木质素的影响，发现离子液体可通过氢键和团簇紧密结合新冠突刺蛋白，具有在人体溶液环境内作为药物载剂的潜力。项目在执行期间发表多篇SCI论文，参与申请专利1件。项目完成了既定的目标，加深了对离子液体溶解纤维素纳微过程的科学认识，相关研究将为新型离子液体溶剂体系的设计和促进离子液体纤维素预处理工艺产业化提供有效的科学基础。