Washington, DC
June 8, 2009
Agricultural Research Service, USDA
By
Rosalie Marion Bliss
Using a neutron beam to study
nanocrystals, researchers have provided new information about
hydrogen bonds that connect the building blocks of cellulose,
the main molecule in cotton fibers and most other plant cell
walls. The study was coauthored by
Agricultural Research Service
(ARS) scientists with lead collaborators from
Los Alamos National Laboratory
in New Mexico and
Joseph Fourier University in Grenoble, France.
The study, published in
Biomacromolecules, brings researchers closer to completely
describing the structure of cellulose. That structure will
provide a greater understanding of the chemical and physical
properties of cotton. Researchers have been studying the
molecular structure of cellulose for more than a century.
To understand how cellulose
changes when it is exposed to enzymes, water or chemical
treatments, researchers need to learn more about its hydrogen
bonding system. Certain enzymes, for example, are used to break
down cellulose for use as biofuel, while others are used to
treat textiles, such as stonewashing of blue jeans.
ARS chemist
Alfred French and support scientist
Glenn Johnson, both with the
ARS Cotton Structure and Quality Research Unit in New
Orleans, La., worked with computer-based molecular models, and
the cooperators worked with neutron equipment. They looked at
the bonds at both room temperature and at temperatures so cold
that atoms almost stop moving—about 430 degrees below zero
Fahrenheit.
The researchers sought to
discover whether the hydrogen atoms continuously transition or
whether they remain in a fixed location. They detected only
static hydrogen atoms at both temperatures. That suggests there
is generally a well-ordered network of hydrogen bonds, and that
there is also a different network that occurs on surfaces of the
nanocrystals and in regions of defects.
Knowing more about how cotton
crystals interact with neighboring molecules and their
intramolecular electronic energy could eventually lead to a
better understanding of defects or weaknesses at the molecular
level. That better understanding could lead to improvements in
permanent press and antimicrobial finishes for consumer
products.
ARS is the principal
intramural scientific research agency of the
U.S. Department of Agriculture.
Utilizando un rayo de neutrones
para estudiar los nanocristales, investigadores han provisto
nueva información sobre los lazos de hidrógeno que conectan los
bloques de construcción de la celulosa, la cual es la molécula
principal en fibras de algodón y en la mayoría de las paredes
celulares de otras plantas.
Los participantes en el estudio
incluyeron científicos del
Servicio de Investigación Agrícola (ARS) y sus colaboradores
en el Laboratorio Nacional Los
Álamos en Nuevo México y en la
Universidad Joseph Fourier en la ciudad de Grenoble en
Francia.
El estudio, con hallazgos
publicados en la revista 'Biomacromolecules’
(Biomacromoleculas), provee una descripción más completa de la
estructura de la celulosa. Esa estructura proveerá una mejor
comprensión de las propiedades químicas y físicas del algodón.
Investigadores han estudiado la estructura molecular de celulosa
por más de un siglo.
Para entender cómo la celulosa
se cambia cuando expuesta a enzimas, agua o tratamientos
químicos, los investigadores deben aprender más sobre el sistema
de lazos de hidrógeno de la celulosa. Ciertas enzimas, por
ejemplo, se usan para degradar la celulosa para utilización en
la producción de biocombustible, mientras otras se usan para
tratar textiles, tales como en los tejanos lavados a la piedra.
El químico
Al French y el científico
Glenn Johnson, quienes trabajan en la
Unidad de Investigación de la Estructura y Calidad de Algodón
mantenida por el ARS en Nueva Orleáns, Luisiana, trabajaron con
modelos moleculares en computadoras, mientras sus colaboradores
usaron los rayos de neutrones. Ellos investigaron los lazos de
hidrógeno en dos temperaturas: la temperatura ambiente, y otra
temperatura tan fría que los átomos casi dejaron de moverse–una
temperatura de aproximadamente 430 grados bajo cero Fahrenheit.
Los investigadores querían
descubrir si los átomos de hidrógeno se mueven continuamente o
si se quedan en un lugar fijo. Los científicos detectaron
solamente los átomos estáticos de hidrógeno en ambas
temperaturas. Este hallazgo sugiere que en general hay una red
bien ordenada de lazos de hidrógeno, y tambien que hay una red
diferente que está presente en las superficies de los
nanocristales y en regiones donde hay defectos.
Con el tiempo, una mejor
comprensión de cómo los cristales del algodón reaccionan con
moléculas vecinas y su energía electrónica intramolecular podría
llevar a una mejor comprensión de los defectos o las flaquezas
al nivel molecular del algodón. Por su parte, esa mejor
comprensión podría llevar a mejoramientos en el algodón de
planchado permanente y los acabados antimicrobianos en productos
para los consumidores.
ARS es la agencia principal
de investigaciones científicas del
Departamento de
Agricultura de EE.UU. |
