At se stivelse:Ny teknik muliggør skånsom observation af biobrændstofmaterialer

Forskere ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har udviklet en ny metode til at kigge dybt ind i nanostrukturen af ​​biomaterialer uden at beskadige prøven. Denne nye teknik kan bekræfte strukturelle træk i stivelse, et kulhydrat, der er vigtigt i produktionen af ​​biobrændstoffer.

Forskergruppen brugte den skarpe sondespids af et atomkraftmikroskop, eller AFM, til præcist at slå små huller ind i en blød overflade, såsom en biologisk membran, skabe et løsrevet lag, der forsigtigt kan pilles væk.

Brug af det nye, ikke-påtrængende blød mekanisk nanoablation, eller sMNA, teknik, holdet fik adgang til stivelsesgranulat uden at ændre nanostrukturen. Eksisterende observationsmetoder kræver beskadigelse eller ødelæggelse af stivelsens yderste lag, som kan påvirke granulernes fysiske egenskaber.

"Vores teknik løfter dybest set den ydre membran, "sagde Ali Passian fra ORNL's Quantum Information Science -gruppe." Dette efterlader de indre strukturer næsten uberørte. "

Som beskrevet i et papir offentliggjort i tidsskriftet ACS Omega , sMNA tillod teamet at observere stivelseskornets indre egenskaber fra stamprøver af poppeltræer.

I USA, det meste biobrændstof kommer fra stivelse i majskerner nedbrudt i ethanol, men popler har længe været biobrændstofkandidater, fordi de vokser hurtigt og producerer masser af biomasse. Selvom poppelbiomasse kun indeholder 3 til 10 % stivelse, en biologisk energilagringsenhed, træet har rigelige sukkerarter pakket ind i polymere materialer såsom cellulose, hemicellulose og lignin - vigtige strukturelle komponenter, der udgør cellevægge af træstammer, grene og blade.

Forskere vil lære mere om den indfødte, nanoskalaegenskaber for både stivelsesgranulat og strukturmaterialer til at dyrke produktive popler og bedst bruge dem som biobrændstofråvarer.

"Plantecellevægsstruktur er virkelig vigtig, hvis vi skal gå til den næste generation af biobrændstoffer, " sagde Brian Davison, ORNLs chefforsker for systembiologi og bioteknologi. "Denne undersøgelse brugte stivelse som et eksempel på, hvordan denne teknik kan begynde at få adgang til nogle af disse nanomekaniske strukturelle materialer, som vi i øjeblikket ikke kan observere i deres oprindelige cellulære omgivelser."

Til dette formål, sMNAs evne til at studere nanomekaniske egenskaber uden at beskadige prøven tilbød fordele i forhold til traditionelle mikroskopimetoder.

"På niveau med polymerer og ultrastrukturer af plantematerialer, små kemiske eller fysiske ændringer kan ændre måleresultatet, hvilket gør fortolkningen af ​​dataene mere udfordrende." sagde Passian. "Denne modtagelighed for ændringer har motiveret megen forskning i retning af ikke-invasive og ikke-destruktive måleteknikker."

Forskerholdet brugte sMNA i forbindelse med eksisterende værktøjer.

"For kemisk at bekræfte, at det observerede granulats sammensætning faktisk var sammensætningen af ​​stivelse, vi brugte Raman spektroskopi, "sagde ORNLs Rubye Farahi, en medforfatter på papiret.

Næste, teamet indsatte sMNA og brugte AFM til at afbilde gentagende "blocklet" -strukturer i granulatet med en hidtil uset topografisk detalje, der afslørede, hvordan strukturerne er adskilt.

De tog også interne og eksterne målinger på stivelsens mekaniske egenskaber, herunder viskoplasticitet, et mål for, hvordan et stof opfører sig, når det deformeres, og Youngs modul, et mål for et materiales stivhed.

"Disse mekaniske egenskaber kan hjælpe med at bestemme, hvordan stivelsesgranulatstrukturer kan relatere til funktionen af ​​resten af ​​planten, "Davison sagde, bemærker, at han gerne vil bruge teknikken til at studere mere komplicerede konstruktionsmaterialer hos poppel.

Teknikken kan også anvendes på ikke -levende materialer, ifølge Passian. Han forestiller sig, at det blev brugt på syntetiske polymerer eller endda 3D-trykte materialer.

"Hvis vi kunne anvende det på denne meget sarte struktur, andre burde være i stand til at gøre det samme med deres prøver af interesse, "Sagde Passian." Dette åbner en række muligheder inden for plantebiologi eller andre områder, der har behov for at se på sarte materialer. "

ORNL samarbejdede med Aix Marseille Universitets Center Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille, eller CINAM, på dette arbejde. Medforfattere på undersøgelsen med titlen, "Nanomekanik og Raman -spektroskopi af in situ native kulhydratopbevaringskorn til forbedring af stivelseskvalitet og produktion af Lignocellulosisk biomasse, "omfatter Ali Passian, Rubye H. Farahi, Udaya C. Kalluri og Brian H. Davison fra ORNL, og Aude L. Lereu og Anne M. Charrier fra Aix Marseille University. ORNL og CINAM producerede i fællesskab billeder i denne forskning.