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01.02.2014 | Original Paper | Ausgabe 1/2014

Cellulose 1/2014

Prediction of cellulose nanotube models through density functional theory calculations

Zeitschrift:
Cellulose > Ausgabe 1/2014
Autoren:
Takuya Uto, Tatsuhiko Miyata, Toshifumi Yui
Wichtige Hinweise

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The online version of this article (doi:10.​1007/​s10570-013-0125-y) contains supplementary material, which is available to authorized users.

Abstract

We report the generation of a nano-scale tubular structure of cellulose molecules (CelNT), through density functional theory (DFT) calculations. When a cellulose IIII (1 0 0) chain sheet model is optimized by DFT calculations, the sheet models spontaneously roll into tubes. The oligomers arrange in a right-handed, four-fold helix with one-quarter chain staggering, oriented with parallel polarity similar to the original crystal structure. Based on a one-quarter chain staggering relationship, six large CelNT models, consisting of 16 cellulose chains with DP = 80, are constructed by combinations of two types of chain polarities and three types of symmetry operations to generate a circular arrangement of molecular chains. All six CelNT models are examined by molecular dynamics (MD) calculations in chloroform. While four CelNT models retain a tubular form throughout MD calculations, the remaining two deform. 3D-RISM theory model is used to estimate the solvation free energies of the four CelNT models. The results suggest that the CelNT model with a chain arrangement of parallel polarity and right-handed helical symmetry forms the most stable tube structure.

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