Internationalt hold visualiserer egenskaber ved plantecellevægge på nanoskala

For at optimere biomaterialer til pålidelig, omkostningseffektiv papirproduktion, bygningskonstruktion og udvikling af biobrændstoffer studerer forskere ofte strukturen af ​​planteceller ved hjælp af teknikker som frysning af planteprøver eller anbringelse af dem i et vakuum. Disse metoder giver værdifulde data, men forårsager ofte permanent skade på prøverne.

Et team af fysikere, herunder Ali Passian, en forsker ved Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory, og forskere fra det franske nationale center for videnskabelig forskning, eller CNRS, brugte avancerede mikroskopi- og spektroskopimetoder til at give ikke-destruktive alternativer. Ved hjælp af en teknik kaldet scattering-type scanning nærfelts optisk mikroskopi undersøgte holdet sammensætningen af ​​cellevægge fra unge poppeltræer uden at beskadige prøverne.

Men holdet havde stadig andre forhindringer at overvinde. Selvom plantecellevægge er notorisk vanskelige at navigere på grund af tilstedeværelsen af ​​komplekse polymerer såsom mikrofibriller - tynde tråde af biomasse, som Passian beskriver som en labyrint af sammenflettede spaghettistrenge - nåede holdet en opløsning bedre end 20 nanometer eller omkring tusind gange mindre end et hårstrå. Denne detaljerede visning gjorde det muligt for forskerne at detektere optiske egenskaber af plantecellematerialer for første gang på tværs af store og små regioner, selv ned til bredden af ​​en enkelt mikrofibril. Deres resultater blev offentliggjort i Communications Materials .

"Vores teknik gjorde det muligt for os at se på prøvens morfologi og optiske og kemiske egenskaber på nanometrisk skala - alt inden for samme måling," sagde Passian.

Sammen med ORNL og CNRS inkluderede holdet forskere fra Aix-Marseille Universitet, Interdisciplinary Nanoscience Center i Marseille og Fresnel Institute og Tysklands Neaspec GmbH.

"Indtil nu blev disse optiske egenskaber ikke målt in situ, men blot fra ekstraherede komponenter, som ikke giver information i forbindelse med strukturelle og kemiske egenskaber," sagde Fresnel Institute-forsker Aude Lereu.

Ved at bruge deres måleteknik til at opnå en række detaljerede billeder i et område af poppeltræets cellevæg, observerede holdet også fordelingen af ​​strukturelle polymerer såsom lignin og cellulose, som er hårde stoffer, der tjener som "knogler" af biologiske systemer og kan udvindes og omdannes til biobrændstoffer og bioprodukter.

Disse data kan bruges til at forbedre kemiske behandlinger, der bruger syrer eller enzymer til at øge polymerudbyttet og forhindre biomaterialer i at nedbrydes, når de udsættes for eksterne faktorer, såsom svampe eller fugt. Fordi poppelprøverne allerede havde været igennem en delignificeringsproces, var forskerne i stand til at lokalisere både harmløse og potentielt skadelige sammensætningsændringer.

"Når du ændrer et materiale, er det vigtigt at overvåge præcis, hvordan det ændrer sig på molekylært niveau," sagde Passian. "Ved at anvende vores teknik på en forbehandlet poppeltræ-prøve var vi i stand til at studere prøven, mens vi holdt styr på eventuelle ændringer, der kunne påvirke dens levedygtighed."

Forskerne valgte poppel som et repræsentativt system, fordi disse træer vokser hurtigt og kræver lidt vedligeholdelse, men teknikken, der bruges på poppel, kunne give tilsvarende detaljerede data om mange andre planter, som forskerne kunne bruge til at forbedre effektiviteten af ​​behandlinger og udvikle ideelle biomaterialer.

"Vores teknik afslørede, at nogle typer af lignin ikke blev fuldstændigt fjernet under delignificering, og disse data kunne hjælpe med at optimere processen og bidrage til en bedre forståelse af lignin genstridighed," sagde Lereu.

Teknikken kan også vise sig at være gavnlig for feltet additiv fremstilling eller 3D-print, som involverer stabling af lag af materialer for at skabe en bred vifte af objekter, fra falske fisk til rumfartøjskomponenter. Under printprocessen, som Passian beskriver som en mere kompleks version af at sprøjte frosting på en kage med en kagepose, kunne måleteknikken tilføje et lag kvalitetskontrol for at minimere menneskelige fejl, rette materialefordeling og fjerne eventuelle forurenende stoffer i realtid.

At få en plads på forreste række til subtile ændringer i planteceller var en udfordring, men Passian forudser, at inkorporering af kvantemekaniske principper i mikroskopieksperimenter kan give forskere mulighed for at sikre sig et endnu tættere overblik uden at beskadige sarte biologiske prøver.

"Down the road, quantum science could help bypass the barriers of classical techniques to further improve the resolution of these measurements," he said. + Udforsk yderligere

Seeing starch:Novel technique enables gentle observation of biofuel materials