At afsløre træets nanostruktur kan hjælpe med at hæve højdegrænserne for træskyskrabere

Der er stigende interesse rundt om i verden for at bruge træ som lighter, mere bæredygtigt byggealternativ til stål og beton. Mens træ har været brugt i bygninger i årtusinder, dets mekaniske egenskaber har ikke, endnu, målt op til alle moderne byggestandarder for større overbygninger. Dette skyldes til dels en begrænset forståelse af træcellernes præcise struktur.

Forskningen, offentliggjort i dag i tidsskriftet Grænser i plantevidenskab , har også identificeret planten Arabidopsis thaliana som en egnet model til at hjælpe med at styre fremtidige skovbrugsavlsprogrammer.

Dr. Jan Lyczakowski, avisens første forfatter fra Cambridge University's Department of Biochemistry, som nu er baseret på Jagiellonian University, sagde, "Det er træets molekylære arkitektur, der bestemmer dets styrke, men indtil nu kendte vi ikke det præcise molekylære arrangement af cylindriske strukturer kaldet makrofibriller i træcellerne. Denne nye teknik har givet os mulighed for at se sammensætningen af ​​makrofibrillerne, og hvordan det molekylære arrangement adskiller sig mellem planter, og det hjælper os med at forstå, hvordan dette kan påvirke træets tæthed og styrke."

De vigtigste byggesten i træ er de sekundære vægge omkring hver træcelle, som er lavet af en matrix af store polymerer kaldet cellulose og hemicellulose, og imprægneret med lignin. Træer som den gigantiske sequoia kan kun nå deres enorme højder på grund af disse sekundære cellevægge, som giver en stiv struktur omkring cellerne i deres stammer.

Holdet fra Cambridge University's Department of Biochemistry og Sainsbury Laboratory (SLCU) tilpassede lavtemperatur scanningselektronmikroskopi (cryo-SEM) for at afbilde nanoskalaarkitekturen af ​​træcellevægge i deres levende tilstand. Dette afslørede de mikroskopiske detaljer af de sekundære cellevægsmakrofibriller, som er 1000 gange smallere end bredden af ​​et menneskehår.

For at sammenligne forskellige træer, de indsamlede træprøver fra gran, gingko- og poppeltræer i Cambridge University Botanic Garden. Prøver blev lynfrosset ned til minus 200°C for at bevare cellerne i deres levende hydrerede tilstand, derefter belagt i en ultratynd platinfilm tre nanometer tyk for at give god synlig kontrast under mikroskopet.

"Vores cryo-SEM er et betydeligt fremskridt i forhold til tidligere anvendte teknikker og har givet os mulighed for at afbilde hydrerede træceller for første gang", sagde Dr. Raymond Wightman, Microscopy Core Facility Manager hos SLCU. "Det har afsløret, at der er makrofibriller med en diameter på over 10 nanometer i både nåletræ og hårdttræ, og bekræftede, at de er almindelige på tværs af alle undersøgte træer."

Cryo-SEM er et kraftfuldt billedværktøj til at hjælpe med at forstå forskellige processer, der ligger til grund for planteudvikling. Tidligere mikroskopi af træ var begrænset til dehydrerede træprøver, der enten skulle tørres, opvarmet eller kemisk behandlet, før de kunne afbildes.

Holdet afbildede også de sekundære cellevægge af Arabidopsis thaliana, en etårig plante, der i vid udstrækning anvendes som standard referenceplante for genetik og molekylærbiologisk forskning. De fandt ud af, at den også havde fremtrædende makrofibrilstrukturer. Denne opdagelse betyder, at Arabidopsis kunne bruges som model for yderligere forskning i træarkitektur. Ved at bruge en samling af Arabidopsis-planter med forskellige mutationer relateret til deres sekundære cellevægsdannelse, holdet var i stand til at studere involveringen af ​​specifikke molekyler i dannelsen og modningen af ​​makrofibriller.

Dr. Matthieu Bourdon, en forskningsmedarbejder ved SLCU, sagde, "Varianterne af Arabidopsis gjorde det muligt for os at bestemme bidraget fra forskellige molekyler - som cellulose, xylan og lignin - til dannelse og modning af makrofibriller. Som resultat, vi udvikler nu en bedre forståelse af de processer, der er involveret i at samle cellevægge."

Rigdommen af ​​Arabidopsis genetiske ressourcer tilbyder et værdifuldt værktøj til yderligere at studere den komplekse aflejring af sekundære cellevægspolymerer, og deres rolle i at definere den fine struktur af cellevægge og hvordan disse modnes til træ.

"Visualisering af træets molekylære arkitektur giver os mulighed for at undersøge, hvordan ændring af arrangementet af visse polymerer i det kan ændre dets styrke, " sagde professor Paul Dupree, en medforfatter af undersøgelsen i Cambridges Institut for Biokemi. "Det er vigtigt at forstå, hvordan komponenterne i træ samles for at skabe superstærke strukturer for at forstå, hvordan planter modnes, og til design af nye materialer."

"Der er stigende interesse rundt om i verden for at bruge træ som et lettere og grønnere byggemateriale, " tilføjede Dupree. "Hvis vi kan øge styrken af ​​træ, vi kan begynde at se flere større konstruktioner bevæge sig væk fra stål og beton til træ."