GDR CNRS / INRA, Pessac, 5-7 Décembre 2005
Youssef HABIBI
V. AGUIE-BEGHIN, L. FOULLON et R. DOUILLARD
Couches interfaciales de monocristaux de cellulose
Modèles moléculaires de la paroi secondaire
UMR FARE INRA/URCA, ReimsÉquipe Parois végétales et Matériaux Fibreux
1. Rappels : paroi végétale; composition et ultrastructure
2. Objectif: Modélisation de la paroi
3. Modèles moléculaires existants
4. Monocouches de Langmuir Blodget
5. Perspectives
Plan
La paroi végétale
= système multistratifié et multiaxial
composition de la paroi végétale
– 60-80% cellulose – 10-30% hémicelluloses:
• Arabino-glucurono-xylanes (graminées)• Galacto-gluco-mannanes (conifères)• Glucurono-xylanes (feuillus)
– 10 – 30% lignines– 1-2% protéines
Composition variable: espèce, âge, type cellulaire:
• Nombreuses interfaces entre couches de microfibrilles et dispersions de chaînes d’hémicelluloses et/ou lignines confinées
• Signification de ces organisations sur les propriétés des parois végétales
Organisation des hémicelluloses, lignines et cellulose dans la paroi?
Unité répétitive: cellobiose
Liaison β1-4Liaisons hydrogènes intrachaînesLiaisons hydrogènes interchaînes
État ordonné, cristallin
Cellulose
Cellulose native I=
- Chaînes parallèles
- Deux polymorphes : Iα et Iβ
Objectif
Surface de cellulose en monocouches orientées:
Substrat modèle
Étalonnage des propriétés de surface (adhésion, mouillage) des structures
élémentaires des parois
Interactions avec d’autres macromolécules de la paroi
Forces d’adhésion ou de cohésion entre monocouches
Perméabilité à l’eau
Réactivités chimique et enzymatique
Comparaison avec des surfaces de cellulose non orientées / amorphes => signification de ces structures organisées
Modèles moléculaires existants
Dérivés de cellulose:Trimethylsilylcellulose (TMSC)
Quelque éthers de cellulose : IPC ou HPC
Techniques:La tournette (spin-coating)
Langmuir-Blodgett
Étalement sur des surfaces
― Destruction de la morphologie (aucune structure fibrillaire)
― Absence de la cristallinité (Cellulose régénérée)
TMSC / SC IPC / LB
Notre stratégie
3 à 25 nm
0,3 à 2µm
Hydrolyse acide
Nanocristaux de cellulose
1. Principe: en présence d’un surfactant cationique
Dép
ôt
+ + + + + +Air
Eau - --
- --
--
-
Méthode de Langmuir-Blodgett
0
10
20
30
40
50
60
40 60 80 100 120
R=0 R=0.75 R=1.5 R=2.25 R=3
Π (mN/m)
Area (A2/Molecule)
R= Weight (Cellulose Whiskers)/Weight (DODA)
Microscopie à l’angle de Brewster
10 SP
(mN/m)20
3040
Le surfactant cationique seul
Le surfactant cationique en présence des whiskers de cellulose
Ellipsométrie –phase liquide-
0
0,5
1
1,5
2
2,5
180
1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
DODA-Cellulose Whiskers DODA Water
ψ (°) ∆ (°)
Photon Energy (eV)
360
0-0,002
0
0,002
0,004
0,006
0,008
0,01
0,012
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000
Water R=0 R=0.75 R=1.5 R=2.25 R=3
−ρΒ
Times (s)
R=Weight (Cellulose Whiskers)/Weight (DODA)
1.3860.047107.6 ± 8.5 ÅDODA-Cellulose Whiskers:
1.4600.05221.5 ± 0.3 ÅDODA:
n589nmχ2Epaisseur
AFM-Ellipsométrie –phase solide-
AFM d’une couche de Langmuir-Blodgett de whiskers de cellulose de tunicier
AFM-Ellipsométrie –phase solide-
5
10
15
20
25
30
35
40
80
100
120
140
160
180
1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
Cellulose Whiskers Treated Wafer Rough Wafer
ψ (°) ∆ (°)
Photon Energy (eV)
1.4530.631107.10 ± 0.5 Å+ Cellulose Whiskers:
1.4600.41926.2 ± 0.2 ÅWafer-Si traité:
1.4580.29215.8 ± 0.2 ÅWafer-Si brut:n589nmχ2Epaisseur
Sous Champ Electro magnétique
Dong and Gray 1997, Revol and Chanzy, 1994Whiskers de cellulose en suspension soumis à un champ électro-magnétique
En cours…
Optimiser l’orientation des whiskers LB sous champ B:
Perspectives
Optimiser, en combinant, les différentes voies
Caractériser les surfaces orientées (Microscopie, Ellipsométrie, XPS, …)
Étudier leurs propriétés de surface
Étudier les interactions entre des hémicelluloses, lignines et d’autres
molécules et ces monocouches orientées de cellulose
Étudier la réactivité enzymatique de ces substrats modèles
etc…
Principales collaborations scientifiques
Centre de Recherche sur les Macromolécules Végétales CERMAV, Grenoble
Laboratoire de Microscopies et d'Etude de Nanostructures (URCA, Reims)
Institut d’Electronique, de Micro-électronique et de Nanotechnologie
IEMN, CNRS-Villeneuve d’Ascq
Laboratoire de Dynamique des Transferts aux Interfaces (URCA, Reims)
Laboratoire des surfaces moléculaires organisées ENS, Paris