Morphometric Study of Bio-Based Particles and Their Interactions

Particle morphology plays many important roles in any technological application. This thesis introduces new protocols to prepare bio-based particles (including those based on lignin, tannin and chitin) and explores their morphological parametrization and colloidal interactions. In Paper I, colloidal lignin particles were prepared by using an aerosol flow reactor, which enabled a size-dependent production of particle surfaces encompassing smooth and corrugated morphologies. Three-dimensional particle morphology characterization was carried out using cryo-electron tomography and harmonic analysis to give insights on their frequency domain characteristics, surface area distribution and volume. These descriptions were used in Paper IV to assess the influence of surface corrugation networks present in crumpled particles on the interaction energy, which consisted of van der Waals and electric double layer forces. The results revealed a highly anisotropic interaction energy depending on the local morphological features near the direction of approach. We identified surface regions that acted either stronger or weaker compared to an equivalent-volume, smooth spherical particle with contact area. In Paper II, crystalline polyphenol-based particles were self-assembled using a simple, green method from alkaline aqueous tannic acid. Attained particle morphologies included rod-like, planar and cuboidal shapes. The process condition-morphology relations were unveiled by using principal component analysis, which indicated the main factors that influence the particle formation. For example, increasing the initial pH produced more elongated particles; base strength increased particle yield and increasing base counter cation size diminished particle size. In Paper III, never-dried chitin nanocrystals were isolated from crab exoskeleton residues. The chirality of these particles was analysed using cryo-electron tomography by utilizing a method based on principal component analysis. No

Kiintoainepartikkelien morfologialla on tärkeä rooli eri teknologisissa sovelluksissa. Tässä väitöskirjassa esitellään biopohjaisten kiintoainepartikkelien uusia valmistusmenetelmiä käyttäen lähtöaineina luonnossa runsaasti esiintyviä materiaaleja, kuten ligniiniä, tanniinia ja kitiiniä. Työssä tutkittiin partikkelien morfologiaa sekä vuorovaikutuksia tavoitteena edistää biopohjaisten materiaalien laajempaa hyödyntämistä. Julkaisuissa I ja IV tutkimuksen kohteena olivat poimumaiset ligniinipartikkelit. Julkaisu I käsittelee niiden aerosolipohjaista valmistusmenetelmää ja morfologian kolmiulotteista karakterisointia kryoelektronitomografian avulla. Partikkelien pinta-alan ja tilavuuden lisäksi analyysimenetelmällä määritettiin pinnanmuodon poimuttumisen jakautuminen eri aallonpituuksille. Julkaisussa IV tuloksia hyödynnettiin partikkelien kolloidaalisten vuorovaikutusten laskennassa. Pinnan epätasainen muoto tuottaa suuruudeltaan vahvempia tai heikompia vuorovaikutuksia riippuen partikkelipinnan paikallisesta muodosta verrattuna samankokoiseen pyöreään partikkeliin. Tulokset korostavat morfologian suunnittelun tärkeyttä poimumaisia partikkeleita hyödyntävien sovellusten lähtökohtana. Julkaisussa II tutkittiin tanniinihapon emäksisestä liuoksesta valmistettujen partikkelien morfologioiden ja prosessiparametrien välisiä suhteita. Yksinkertainen, vihreä valmistusmenetelmä mahdollisti laajan morfologisen kirjon sisältäen sauva-, laatta- ja särmiömäisiä muotoja. Pääkomponenttianalyysi osoittaa, että liuoksen pH ja käytetyn emäksen vahvuus vaikuttavat partikkeleiden sauvamaisuuteen ja reaktiotuotteen saantoon, kun taas suurempi emäksen kationin koko pienentää partikkelikokoa. Julkaisussa III tutkittiin ravun kuoresta eristettyjen kuivumattomien kitiininanokiteiden kierteisyyttä kryoelektronitomografian ja pääkomponenttianalyysiin perustuvan menetelmän avulla. Morfologian kierteisyydellä ei havaittu olevan yksiselitteistä kätisyyttä, mikä voi viitata materiaalin kuivumishis