為了優(yōu)化生物材料以實(shí)現(xiàn)可靠、經(jīng)濟(jì)高效的造紙、建筑施工和生物燃料開發(fā)，研究人員經(jīng)常使用冷凍植物樣品或?qū)⑺鼈冎糜谡婵罩械燃夹g(shù)來研究植物細(xì)胞的結(jié)構(gòu)。這些方法提供了有價值的數(shù)據(jù)，但通常會對樣品造成永久性損壞。

一個物理學(xué)家團(tuán)隊，包括能源部橡樹嶺國家實(shí)驗室的研究科學(xué)家 Ali Passian 和法國國家科學(xué)研究中心 (CNRS) 的研究人員，使用最先進(jìn)的顯微鏡和光譜學(xué)方法提供無損檢測備擇方案。使用一種稱為散射型掃描近場光學(xué)顯微鏡的技術(shù)，該團(tuán)隊在不損壞樣品的情況下檢查了年輕楊樹細(xì)胞壁的組成。

但團(tuán)隊還有其他障礙需要克服。盡管眾所周知，由于存在復(fù)雜的聚合物(例如微纖維)，植物細(xì)胞壁難以導(dǎo)航——Passian 將生物質(zhì)細(xì)線描述為相互纏繞的面條線的迷宮——但該團(tuán)隊達(dá)到了優(yōu)于 20 納米或大約一千倍的分辨率比一根人的頭發(fā)還小。這種詳細(xì)的視圖使研究人員能夠首次跨大小區(qū)域檢測植物細(xì)胞材料的光學(xué)特性，甚至可以檢測到單個微纖維的寬度。他們的研究結(jié)果發(fā)表在Communications Materials上。

“我們的技術(shù)使我們能夠在納米尺度上觀察樣品的形態(tài)、光學(xué)和化學(xué)特性——所有這些都在同一個測量范圍內(nèi)，”Passian 說。

除了 ORNL 和 CNRS，該團(tuán)隊還包括來自艾克斯-馬賽大學(xué)、馬賽跨學(xué)科納米科學(xué)中心和菲涅爾研究所以及德國 Neaspec GmbH 的研究人員。

“到目前為止，這些光學(xué)特性不是在原位測量的，而只是從提取的成分中測量出來的，這些成分不能提供結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性方面的信息，”菲涅爾研究所研究員 Aude Lereu 說。

通過使用他們的測量技術(shù)在楊木細(xì)胞壁的一個區(qū)域獲得一系列詳細(xì)圖像，研究小組還觀察了木質(zhì)素和纖維素等結(jié)構(gòu)聚合物的分布，它們是充當(dāng)生物“骨骼”的硬質(zhì)物質(zhì)。系統(tǒng)，可以提取并轉(zhuǎn)化為生物燃料和生物產(chǎn)品。

這些數(shù)據(jù)可用于改進(jìn)使用酸或酶的化學(xué)處理，以提高聚合物產(chǎn)量并防止生物材料在暴露于真菌或濕度等外部因素時降解。由于楊樹樣品已經(jīng)經(jīng)過去木質(zhì)化過程，研究人員能夠查明無害和潛在有害的成分變化。

“在改變材料時，重要的是要準(zhǔn)確監(jiān)測它在分子水平上的變化，”帕西安說。“通過將我們的技術(shù)應(yīng)用于經(jīng)過預(yù)處理的楊樹標(biāo)本，我們能夠研究樣本，同時跟蹤可能影響其生存能力的任何變化。”

研究人員選擇楊樹作為代表系統(tǒng)，因為這些樹生長迅速且?guī)缀醪恍枰S護(hù)，但楊樹上使用的技術(shù)可以提供許多其他植物的類似詳細(xì)數(shù)據(jù)，研究人員可以使用這些數(shù)據(jù)來提高治療效率和設(shè)計理想的生物材料。

“我們的技術(shù)表明，某些類型的木質(zhì)素在去木質(zhì)化過程中并未完全去除，這些數(shù)據(jù)有助于優(yōu)化過程并有助于更好地了解木質(zhì)素的頑固性，”Lereu 說。

該技術(shù)還可以證明對增材制造或 3D 打印領(lǐng)域是有益的，它涉及堆疊材料層以創(chuàng)建從假魚到航天器組件的各種物體。在印刷過程中，Passian 將其描述為在帶有糕點(diǎn)袋的蛋糕上滾邊結(jié)霜的更復(fù)雜版本，測量技術(shù)可以增加一層質(zhì)量控制，以最大限度地減少人為錯誤、糾正材料分布并實(shí)時去除任何污染物。

獲得植物細(xì)胞細(xì)微變化的前排座位是一項挑戰(zhàn)，但 Passian 預(yù)計將量子力學(xué)原理納入顯微鏡實(shí)驗可能使研究人員能夠在不損壞精細(xì)生物樣本的情況下獲得更近距離的觀察。

“在未來，量子科學(xué)可以幫助繞過經(jīng)典技術(shù)的障礙，進(jìn)一步提高這些測量的分辨率，”他說。

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