Self-assembly of Cellulose Nanocrystals in Spatial Confinement： from Colloidal Liquid Crystals to Functional Materials

doi:10.7503/cjcu20220474

Abstract

Abstract:

Cellulose nanocrystals（CNCs）， as one of the most promising bioderived materials， have many important applications in the fields of energy， biomedicine and photonic materials because of their abundance， biocompatibility， and ability to form photonic structures. This perspective highlights the recent advances in the self-assembly of CNCs in spatially confined geometry. We review the preparation of CNCs， the cholesteric liquid crystal formed by CNCs， photonic materials derived from CNCs， self-assembly of CNCs in the droplets and cylindrical capillary and functional materials based on the confined assembly of CNCs， and discuss the new research directions in the self- assembly of CNCs in spatial confinement.

Key words: Cellulose nanocrystal, Spatial confinement, Self-assembly, Colloidal liquid crystal

CLC Number:

O631

TrendMD:

DUAN Yixiong, YANG Bai, LI Yunfeng. Self-assembly of Cellulose Nanocrystals in Spatial Confinement： from Colloidal Liquid Crystals to Functional Materials[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(2): 20220474.

Figures/Tables 8

Fig.1 Representative transmission electron micrographs of CNCs(A)[36] and representative atomic force microscope images of CNCs(B)[37]（A） Copyright 2000， American Chemical Society；（B） Copyright 2021， Springer Nature.

Fig.2 Cholesteric liquid crystals of CNCs（A） The photographs illustrating the phase separation of the CNC suspensions into a top isotropic phase and a bottom cholesteric LC phase， the CNC concentrations increased from left to right， the pictures were taken under crossed polarizers；（B） the ratio of anisotropic phases as a function of the CNC concentrations；（C） polarized optical microscopy（POM） image of cholesteric LC of CNCs［52］；（D） bright-field（BF） images of the phase separation of mixed suspensions of CNCs and gold nanoparticles of different sizes［54］.

Fig.3 Photonic materials derived from cholesteric LCs of CNCs（A） Photographs of the photonic elastomer based on the composites of CNCs with the elongation of 0， 65%， 250%， and 300%（left to right）， respectively； the scale bar is 1 cm；（B） normalized reflectance spectra of photonic elastomers with different elongation［72］；（C） photographs of mesoporous photonic films derived from CNCs immersed in the mixture of ethanol and water with different ratios［70］；（D） actuation behaviors of the bilayer mesoporous photonic films derived from CNCs（top panel） and the photographs of the selectively deformed “fingers” on the hand-shaped mesoporous photonic film（bottom panel）［73］.（A， B） Copyright 2019， Wiley-VCH；（C） Copyright 2014， Wiley-VCH；（D） Copyright 2014， Wiley-VCH.

Fig.4 Confined self⁃assembly of CNCs in the capillary（A） POM images at low （left） and high （right） magnifications of cholesteric CNC suspension confined in a 100 μm capillary， the scale bars are 100 μm；（B） schematic illustration of cholesteric LCs of CNCs in the capillary［75］；（C） photographs of continuous generation of liquid metacrystal fibers；（D） schematic illustration of the liquid crystal self-assembly of the CNCs in a cylindrical hydrogel tube during fiber production；（E） POM image of the radial section of liquid metacrystal fibers；（F） POM image of the axial direction of the liquid metacrystal fibers. Scale bars are 500 μm in （E） and （F）［34］.

Fig.5 Confined self⁃assembly of CNCs in the droplets[31]（A） Optical microscopy image of a microfluidic generation of droplets of cholesteric CNCs， the scale bar is 1 cm. POM image（B） and BF optical microscopy image（C） of cholesteric CNC droplets， the scale bars are 500 μm in （B） and 50 μm in （C）. （D—F） POM images of the cholesteric CNC droplets of different confinement dimensions， the scale bars are 50 μm；（G—I） schematic illustration of cholesteric CNC packing in the droplets with different dimensions shown in （D），（E） and （F）， respectively. White arrows in （C） and （D） show the defect of the radial disclination line， red arrow in （D） shows an edge dislocation running parallel to the cholesteric layers.

Fig.6 Confined coassembly of CNCs and nanoparticles in the droplet（A） BF optical microscopy images of droplets through the co-assembly of cholesteric CNCs and fluorescein isothiocyanate dye⁃ labelled 184 nm latex nanoparticles， the scale bar is 100 μm［31］； BF optical microscopy image（B）， POM image（C） and fluorescent microscope image（D） of cholesteric CNC droplets loaded with fluorescein isothiocyanate dye-labelled 184 nm latex nanoparticles， the scale bars are 50 μm；（E， F） fluorescent microscope images of the arrays of beads， the CNC suspensions were treated by ultrasonication at the energy of 340 J/g（E） and 1364 J/g（F） CNCs， the scale bars are 5 μm；（G） variation in the periodicity of the bead array as a function of the half pitch of the cholesteric CNCs［32］.（A） Copyright 2016， Springer Nature；（B—G） Copyright 2017， the National Academy of Sciences of the USA.

Fig.7 Confined coassembly of CNCs and nanoparticles in the droplet with flat⁃ellipsoidal packing of CNCs[33]

Fig.8 Photonic particles derived from the CNC droplets[81]

References 82

1	Habibi Y.， Lucia L. A.， Rojas O. J.， Chem. Rev.， 2010， 110（6）， 3479—3500
2	Klemm D.， Kramer F.， Moritz S.， Lindström T.， Ankerfors M.， Gray D.， Dorris A.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2011， 50（24）， 5438—5466
3	Shopsowitz K. E.， Qi H.， Hamad W. Y.， MacLachlan M. J.， Nature， 2010， 468（7322）， 422—425
4	Querejeta⁃Fernández A.， Chauve G.， Methot M.， Bouchard J.， Kumacheva E.， J. Am. Chem. Soc.， 2014， 136（12）， 4788—4793
5	Qi H.， Shopsowitz K. E.， Hamad W. Y.， MacLachlan M. J.， J. Am. Chem. Soc.， 2011， 133（11）， 3728—3731
6	Kelly J. A.， Shukaliak A. M.， Y Cheung C. C.， Shopsowitz K. E.， Hamad W. Y.， MacLachlan M. J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2013， 52（34）， 8912—8916
7	Sui B.， Zhang Y.， Huang L.， Chen Y.， Li D.， Li Y.， Yang B.， ACS Sustain. Chem. Eng.， 2020， 8（50）， 18492—18499
8	Wang Y.， Li J.， Li Y.， Yang B.， Nano Today， 2021， 39， 101180
9	Prince E.， Alizadehgiashi M.， Campbell M.， Khuu N.， Albulescu A.， de France K.， Ratkov D.， Li Y.， Hoare T.， Kumacheva E.， Biomacromolecules， 2018， 19（4）， 1276—1284
10	Osorio D. A.， Lee B. E. J.， Kwiecien J. M.， Wang X.， Shahid I.， Hurley A. L.， Cranston E. D.， Grandfield K.， Acta Biomater.， 2019， 87， 152—165
11	Shopsowitz K. E.， Hamad W. Y.， Maclachlan M. J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2011， 50（46）， 10991—10995
12	Yang X.， Shi K.， Zhitomirsky I.， Cranston E. D.， Adv. Mater.， 2015， 27（40）， 6104—6109
13	Cho S.， Li Y.， Seo M.， Eugenia K.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2016， 55（45）， 14014—14018
14	Lagerwall J. P. F.， Schütz C.， Salajkova M.， Noh J.， Park J. H.， Scalia G.， Bergström L.， NPG Asia Mater.， 2014， 6（1）， e80
15	Moon R. J.， Martini A.， Nairn J.， Simonsen J.， Youngblood J.， Chem. Soc. Rev.， 2011， 40（7）， 3941—3994
16	Tran A.， Boott C. E.， MacLachlan M. J.， Adv. Mater.， 2020， 32（41）， 1905876
17	Alizadehgiashi M.， Khuu N.， Khabibullin A.， Henry A.， Tebbe M.， Suzuki T.， Kumacheva E.， ACS Nano， 2018， 12（8）， 8160—8168
18	Sehaqui H.， Gálvez M. E.， Becatinni V.， Cheng Ng Y.， Steinfeld A.， Zimmermann T.， Tingaut P.， Environ. Sci. Technol.， 2015， 49（5）， 3167—3174
19	Parker R. M.， Guidetti G.， Williams C. A.， Zhao T.， Narkevicius A.， Vignolini S.， Bruno F. P.， Adv. Mater.， 2018， 30（19）， 1704477
20	Wang P. X.， Hamad W. Y.， MacLachlan M. J.， Nat. Commun.， 2016， 7（1）， 11515
21	Wang P. X.， Hamad W. Y.， MacLachlan M. J.， Chem.， 2019， 5（3）， 681—692
22	Shopsowitz K. E.， Hamad W. Y.， MacLachlan M. J.， J. Am. Chem. Soc.， 2012， 134（2）， 867—870
23	Khan M. K.， Giese M.， Yu M.， Kelly J. A.， Hamad W. Y.， MacLachlan M. J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2013， 52（34）， 8921—8924
24	Wu T.， Li J.， Li J.， Ye S.， Wei J.， Guo J.， J. Mater. Chem. C， 2016， 4（41）， 9687—9696
25	Thiruganasambanthan T.， Ilyas R. A.， Faiz Norrrahim M. N.， Muthu Kumar T. S.， Siengchin S.， Mohamad Misenan M. S.， Ahmad Farid M. A.， Mohd Nurazzi N.， Muhammad Asyraf M. R.， Syed Zakaria S. Z.， Rizal Razman M.， Nanomaterials， 2022， 12（19）， 3483
26	Teich E. G.， van Anders G.， Klotsa D.， Dshemuchadse J.， Glotzer S. C.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 2016， 113（6）， E669—E678
27	de Nijs B.， Dussi S.， Smallenburg F.， Meeldijk J. D.， Groenendijk D. J.， Filion L.， Imhof A.， van Blaaderen A.， Dijkstra M.， Nat. Mater.， 2014， 14（1）， 56—60
28	Manoharan V. N.， Elsesser M. T.， Pine D. J.， Science， 2003， 301（5632）， 483—487
29	Zhang B.， Cheng X.， Phys. Rev. Lett. 2016， 116（9）， 098302
30	Khadem S. A.， Bagnani M.， Mezzenga R.， Rey A. D.， Nat. Commun.， 2020， 11（1）， 4616
31	Li Y.， Suen Jun⁃Yan J.， Prince E.， Larin E. M.， Klinkova A.， Thérien⁃Aubin H.， Zhu S.， Yang B.， Helmy A. S.， Lavrentovich O. D.， Kumacheva E.， Nat. Commun.， 2016， 7（1）， 12520
32	Li Y.， Prince E.， Cho S.， Salari A.， Golestani Y. M.， Lavrentovich O. D.， Kumacheva E.， Proc. Natl. Acad. Sci. USA， 2017， 114（9）， 2137—2142
33	Li Y.， Khuu N.， Prince E.， Alizadehgiashi M.， Galati E.， Lavrentovich O. D.， Kumacheva E.， Sci. Adv.， 2019， 5（7）， eaav1035
34	Liu Y.， Wu P.， Adv. Funct. Mater.， 2020， 30（27）， 2002193
35	Salas C.， Nypelö T.， Rodriguez⁃Abreu C.， Carrillo C.， Rojas O. J.， Curr. Opin. Colloid Interface Sci.， 2014， 19（5）， 383—396
36	Fleming K.， Gray D.， Prasannan S.， Matthews S.， J. Am. Chem. Soc.， 2000， 122（21）， 5224—5225
37	Chen M.， Parot J.， Hackley V. A.， Zou S.， Johnston L. J.， Cellulose， 2021， 28（4）， 1933—1946
38	Lazko J.， Sénéchal T.， Landercy N.， Dangreau L.， Raquez J. M.， Dubois P.， Cellulose， 2014， 21（6）， 4195—4207
39	Pang Z.， Wang P.， Dong C.， Cellulose， 2018， 25（12）， 7053—7064
40	Beltramino F.， Roncero M. B.， Vidal T.， Torres A. L.， Valls C.， Bioresour. Technol.， 2015， 192， 574—581
41	Ranby B. G.， Acta Chem. Scand.， 1949， 3， 649—650
42	Abitbol T.， Kloser E.， Gray D. G.， Cellulose， 2013， 20（2）， 785—794
43	Roman M.， Winter W. T.， Biomacromolecules， 2004， 5（5）， 1671—1677
44	Araki J.， Wada M.， Kuga S.， Okano T.， Langmuir， 2000， 16（6）， 2413—2415
45	Vanderfleet O. M.， Cranston E. D.， Nat. Rev. Mater.， 2021， 6（2）， 124—144
46	Kloser E.， Gray D. G.， Langmuir， 2010， 26（16）， 13450—13456
47	Eyley S.， Thielemans W.， Chem. Commun.， 2011， 47（14）， 4177—4179
48	Li Y.， Khuu N.， Gevorkian A.， Sarjinsky S.， Therien⁃Aubin H.， Wang Y.， Cho S.， Kumacheva E.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2017， 56（22）， 6083—6087
49	Yang H.， Alam M. N.， van de Ven T. G. M.， Cellulose， 2013， 20（4）， 1865—1875
50	Schütz C.， Agthe M.， Fall A. B.， Gordeyeva K.， Guccini V.， Salajková M.， Plivelic T. S.， Lagerwall J. P. F.， Salazar⁃Alvarez G.， Bergström L.， Langmuir， 2015， 31（23）， 6507—6513
51	Padmajan Sasikala S.， Lim J.， Kim I. H.， Jung H. J.， Yun T.， Han T. H.， Kim S. O.， Chem. Soc. Rev.， 2018， 47（16）， 6013—6045
52	Parker R. M.， Frka⁃Petesic B.， Guidetti G.， Kamita G.， Consani G.， Abell C.， Vignolini S.， ACS Nano， 2016， 10（9）， 8443—8449
53	Wang P. X.， MacLachlan M. J.， Philos. Trans. R. Soc. A Math. Phys. Eng. Sci.， 2018， 376（2112）， 20170042
54	Wang P. X.， Hamad W. Y.， MacLachlan M. J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2018， 57（13）， 3360—3365
55	Xue M. D.， Kimura T.， Revol J. F.， Gray D. G.， Langmuir， 1996， 12（8）， 2076—2082
56	Araki J.， Wada M.， Kuga S.， Langmuir， 2001， 17（1）， 21—27
57	Heux L.， Chauve G.， Bonini C.， Langmuir， 2000， 16（21）， 8210—8212
58	Dumanli A. G.， van der Kooij H. M.， Kamita G.， Reisner E.， Baumberg J. J.， Steiner U.， Vignolini S.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2014， 6（15）， 12302—12306
59	Nguyen T. D.， Sierra E.， Eguiraun H.， Lizundia E.， Eur. J. Phys.， 2018， 39（4）， 045803
60	Bardet R.， Roussel F.， Coindeau S.， Belgacem N.， Bras J.， Carbohydr. Polym.， 2015， 122， 367—375
61	Beck S.， Bouchard J.， Berry R.， Biomacromolecules， 2011， 12（1）， 167—172
62	Gu M.， Jiang C.， Liu D.， Prempeh N.， Smalyukh I. I.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2016， 8（47）， 32565—32573
63	Yao K.， Meng Q.， Bulone V.， Zhou Q.， Adv. Mater.， 2017， 29（28）， 1701323
64	Sun X.， Tyagi P.， Agate S.， Lucia L.， McCord M.， Pal L.， Carbohydr. Polym.， 2019， 208， 495—503
65	Risteen B.， Delepierre G.， Srinivasarao M.， Weder C.， Russo P.， Reichmanis E.， Zoppe J.， Small， 2018， 14（46）， 1802060
66	Kelly J. A.， Shopsowitz K. E.， Ahn J. M.， Hamad W. Y.， MacLachlan M. J.， Langmuir， 2012， 28（50）， 17256—17262
67	Frka⁃Petesic B.， Radavidson H.， Jean B.， Heux L.， Adv. Mater.， 2017， 29（11）， 1606208
68	Frka⁃Petesic B.， Guidetti G.， Kamita G.， Vignolini S.， Adv. Mater.， 2017， 29（32）， 1701469
69	Lu T.， Pan H.， Ma J.， Li Y.， Bokhari S. W.， Jiang X.， Zhu S.， Zhang D.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2017， 9（21）， 18231—18237
70	Giese M.， Blusch L. K.， Khan M. K.， Hamad W. Y.， Maclachlan M. J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2014， 53（34）， 8880—8884
71	Song W.， Lee J. K.， Gong M. S.， Heo K.， Chung W. J.， Lee B. Y.， ACS Appl. Mater. Interfaces， 2018， 10（12）， 10353—10361
72	Boott C. E.， Tran A.， Hamad W. Y.， MacLachlan M. J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2020， 59（1）， 226—231
73	Khan M. K.， Hamad W. Y.， Maclachlan M. J.， Adv. Mater.， 2014， 26（15）， 2323—2328
74	Momeni A.， Walters C. M.， Xu Y. T.， Hamad W. Y.， Maclachlan M. J.， Nanoscale Adv.， 2021， 3（17）， 5111—5121
75	Prince E.， Wang Y.， Smalyukh I. I.， Kumacheva E.， J. Phys. Chem. B， 2021， 125（29）， 8243—8250
76	Cherpak V.， Korolovych V. F.， Geryak R.， Turiv T.， Nepal D.， Kelly J.， Bunning T. J.， Lavrentovich O. D.， Heller W. T.， Tsukruk V. V.， Nano Lett.， 2018， 18（11）， 6770—6777
77	Kim M.， Pierce K.， Krecker M.， Bukharina D.， Adstedt K.， Nepal D.， Bunning T.， Tsukruk V. V.， ACS Nano， 2021， 15（12）， 19418—19429
78	Jativa F.， Schütz C.， Bergström L.， Zhang X.， Wicklein B.， Soft Matter， 2015， 11（26）， 5374—5380
79	Wang P. X.， Hamad W. Y.， MacLachlan M. J.， Angew. Chem. Int. Ed.， 2016， 55（40）， 12460—12464
80	Ling S.， Kaplan D. L.， Buehler M. J.， Nat. Rev. Mater.， 2018， 3（4）， 18016
81	Parker R. M.， Zhao T. H.， Frka⁃Petesic B.， Vignolini S.， Nat. Commun.， 2022， 13（1）， 3378
82	Droguet B. E.， Liang H. L.， Frka⁃Petesic B.， Parker R. M.， de Volder M. F. L.， Baumberg J. J.， Vignolini S.， Nat. Mater.， 2022， 21（3）， 352—358

[1]	WANG Pengfei, FU Wenhao, SUN Shaoni, CAO Xuefei, YUAN Tongqi. Preparation of Hierarchical Porous Carbon Materials Using Cellulose Nanocrystals as Templates and Their Electrochemical Properties [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(2): 20220497.
[2]	LI Huaike, YUE Guichu, XIE Haiyun, LIU Jing, GAO Songwei, HOU Lanlan, LI Shuai, MIAO Beibei, WANG Nyu, BAI Jie, CUI Zhimin, ZHAO Yong. Application of Electrospun Hollow Nanofibers in Catalysis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(1): 20220625.
[3]	SHEN Xinyi, ZHANG Sen, WANG Shutao, SONG Yongyang. Synthesis Strategies for Polymer Hollow Particles [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2023, 44(1): 20220627.
[4]	WU Yushuai, SHANG Yingxu, JIANG Qiao, DING Baoquan. Research Progress of Controllable Self-assembled DNA Origami Structure as Drug Carrier [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(8): 20220179.
[5]	LI Lin, QI Fenglian, QIU Lili, MENG Zihui. Dynamic Amorphous Photonic Structure Patterns Assembled by Hexagonal Magnetic Nanosheets [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(8): 20220123.
[6]	YU Bin, CHEN Xiaoyan, ZHAO Yue, CHEN Weichang, XIAO Xinyan, LIU Haiyang. Graphene Oxide-based Cobalt Porphyrin Composites for Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(2): 20210549.
[7]	LI Bo, MENG Yuxi, WANG Wenwen, ZANG Hongying. Synthesis and Proton Conductivity of Polynuclear Polyoxothiomolybdate Compound [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(1): 20210657.
[8]	DU Shunfu, WANG Wenjing, EL⁃SAYED El⁃Sayed M., SU Kongzhao, YUAN Daqiang, HONG Maochun. A Chemiluminescent Zirconocene Coordination Tetrahedron [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2022, 43(1): 20210628.
[9]	XUE Jin, CAO Xiaowei, LIU Yifan, WANG Min. Preparation of Paper Hollow Gold Nanocage SERS Sensor and Its Rapid and Highly Sensitive Detection for miRNAs in Sputum of Patients with Non-small Cell Lung Cancer [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(8): 2393.
[10]	ZHANG Juan, HU Xinyue, WANG Hongbo, LIAN Ying, LE Jinyu, YANG Zihao. Crystal-like Hydrogels Consisting of Parallel Hexahedrons Obtained from the Self-assembly ofβ⁃Cyclodextrin/perfluorononanoic Acid Inclusion Complexes [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(10): 3187.
[11]	TANG Wentao, LI Shengkai, WANG Shen, CHEN Long, CHEN Zhuo. Laser-mediated Enrichment Based Surface Enhanced Raman Analysis [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(10): 3054.
[12]	HOU Chunxi, LI Yijia, WANG Tingting, LIU Shengda, YAN Tengfei, LIU Junqiu. Application of Elastin-like Polypeptides in Supramolecular Assembly ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(6): 1163.
[13]	ZHAO Ziyi,ZHENG Hongzhi,XU Yan. Multi-color Circularly Polarized Luminescence Properties of Cellulose Nanocrystal ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(5): 1120.
[14]	BAI Ruonan, LI Qing, QIAO Shanlin, ZHANG Chunhuan, ZHAO Yongsheng. Controlled Preparation and Optical Waveguide Property of 1,4-Dicarbazolidinylbenzene Microwires ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(5): 967.
[15]	WANG Jun, WANG Tie. Recent Progress in Functional Nanomaterials Based on Self-assembly Technology ^† [J]. Chem. J. Chinese Universities, 2020, 41(3): 377.