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制浆造纸工程国家重点实验室

轻工科学与工程学院

2023年4月23日

　　报告时间：2023年5月4日上午9:00

　　报告摘要：

　　Cellulose materials can exhibit a large mechanical properties range depending on the structure at different length scale. We can use them as sustainable material by remodeling the structure in an energy efficient way to adapted to the target application. Knowing the structure and properties at nano-scale is important to understand its property during the processing and at use, and hence optimizing them. X-ray scattering is one of the most direct and powerful tools since 100 years to analyze the structure and deformation at nano-scale. Our knowledge on the structure and mechanical behavior is continuously improving, but there are still tremendous obstacles to fully connect the molecular understanding and experimental observations. Although the X-ray scattering experiment in general provides reproducible data, the interpretation of the data needs special caution. As an example, I will present our recent study on the elastic tensor of model samples composed of highly crystalline cellulose from tunicate, whose behavior turned out to be more complex than anticipated from continuum mechanics approach.

　　报告人简介：

　　Yoshiharu Nishiyama（西山义春）是法国国家科学研究院植物大分子研究中心终身研究员，国际著名期刊Cellulose的编委，木材物理学家，现代晶体纤维素结构奠基人，TEMPO纳米纤维素方法开发者之一。致力于运用现代衍射技术与计算机模拟结合的方法解析重要天然大分子的晶体结构。2002年获得日本木材学会奖，2012年获得国际高分子会议Hayashi奖，2015年获得有着“森林木材科学领域的诺贝尔奖”之称的马库斯•沃伦伯格奖，2021年获得美国化学会纤维素和可再生材料分会Anselme Payen奖。

　　报告人：李唯副研究员（北京理工大学）

　　报告题目：单分散纤维寡糖的高效制备与功能化

　　报告时间：2023年5月4日上午10:00

　　报告摘要：

　　结构决定性能，但从分子层面精准调控纤维素超分子结构具有挑战性。单分散纤维寡糖（MCOs）具有易溶解、分子链短、分子量均一、分子定向性和化学活性高等优势，在精准调控晶体结构及制备新型功能纳米材料方面具有巨大潜力。然而，MCOs的制备通常存在制备工序繁琐、耗时、产率低、成本高，难以实现大规模生产等问题。我们发现了高效便捷制备MCOs方法的机理，基于该机理，通过改变水解条件和再生条件已成功制备20种不同分子量及其分布的MCOs，并通过功能化改性与结构调控，在提升纳米酶催化性能和抗冻等领域表现优异。

　　报告人简介：

　　李唯，北京理工大学材料学院副研究员，毕业于法国国家科研中心植物大分子研究中心，师从西山义春研究员和小川悠研究员。主要研究方向为纤维素基材料的分子修饰改性以及晶体结构解析的研究工作，对结构调控机制以及材料构效关系展开了细致研究，并成功构建一系列具有多功能特性的复合材料，应用于生物传感、抗菌、抗氧化、活性物质定向递送等领域。

　　报告人：陈攀研究员（北京理工大学）

　　报告题目：天然纤维素结晶的伦敦色散力、氢键和力学性能

　　报告时间：2023年5月4日上午10:45

　　报告摘要：

　　分子间/内非共价键相互作用是理解纤维素晶体的结构稳定性和物理性质的基础。传统观点认为纤维素中的氢键结构主宰分子间相互作用，导致其具有高杨氏模量，并很难溶解于常规溶剂。通过低维片段切分法和色散矫正相互作用，基于密度泛函理论计算的能量分解证明：从内聚能能量成分分析的角度出发，天然纤维素结晶体中伦敦色散相互作用大于氢键，纤维素其他晶型和甲壳素均遵循同样的原理。因此在纤维素晶体解聚集、降解和溶解过程中，除却氢键的贡献，伦敦色散相互作用也应被重点考虑。

　　纳米纤维素的杨氏模量约为113~200 GPa，作为抗拉伸和压缩载体支撑起高度超100米的参天大树。一种普遍的解释认为：沿着纳米纤维素链方向的分子内氢键导致其模量在所有生物材料中最高。为验证这一假说，我们建立氢键删除方法，选择性删除分子内和分子间氢键，构筑结构类似的天然纤维素氢键变体，使用基于密度泛函理论的能量应变法测算氢键和色散力对分子链刚性和弹性模量的贡献。研究发现：分子间氢键取消后，横切方向的纤维刚性大幅度降低(25~64%)，分子内和分子间氢键对纵向刚度的贡献是-2%~20%；而色散力取消后，横切方向纤维刚性降低20%或63%，纵向链刚性仅降低2%，但纵向模量降低17%。因此，纳米纤维素沿链的刚度由轴向共价键和大分子链的紧凑堆积引起的定向排列和限域共同导致，氢键对纤维素的力学性能与和色散力同等重要。该研究揭示了纤维素高模量的分子机理，为理解纤维素结构和力学性质关系提供了理论基础。

　　报告人简介：

　　陈攀，北京理工大学材料学院研究员，毕业于武汉大学和法国国家科研中心植物大分子研究中心，德国亚琛工业大学和瑞典皇家理工大学博士后，美国橡树岭国家实验室访问学者，师从张俐娜院士、西山义春研究员和Lars Berglund教授。专注于散射方法与计算模拟技术的开发和结合，用以研究纤维素化学、物理和材料信息学相关的基础科学问题，阐明结构与性质的关系。