揭示木材的納米結(jié)構(gòu)可能有助于提高木質(zhì)摩天大樓的高度限制

使用木材作為鋼和混凝土的一種更輕便，更可持續(xù)的建筑替代品在世界范圍內(nèi)引起了越來越多的興趣。盡管木材已在建筑物中使用了數(shù)千年，但其機(jī)械性能尚未達(dá)到主要上部結(jié)構(gòu)的所有現(xiàn)代建筑標(biāo)準(zhǔn)。這部分是由于對木質(zhì)細(xì)胞精確結(jié)構(gòu)的了解有限。

今天發(fā)表在《植物科學(xué)前沿》上的這項研究還確定了擬南芥植物是合適的模型，可以幫助指導(dǎo)未來的林業(yè)育種計劃。

劍橋大學(xué)生物化學(xué)系的第一作者Jan Lyczakowski博士說：“決定強(qiáng)度的是木材的分子結(jié)構(gòu)，但直到現(xiàn)在我們還不知道確切的分子。這種新技術(shù)使我們能夠觀察到大纖維的組成，以及植物之間的分子排列如何不同，這有助于我們了解這可能對木材的密度和強(qiáng)度產(chǎn)生怎樣的影響。”

木材的主要結(jié)構(gòu)塊是每個木質(zhì)單元周圍的次生壁，次級壁由稱為纖維素和半纖維素的大型聚合物基質(zhì)制成，并浸有木質(zhì)素。由于這些次生細(xì)胞壁，樹木(例如巨型紅杉)只能達(dá)到其巨大的高度，這些次生壁在樹干中的細(xì)胞周圍提供了剛性結(jié)構(gòu)。

劍橋大學(xué)生物化學(xué)系和塞恩斯伯里實驗室(SLCU)的研究小組對低溫掃描電子顯微鏡(cryo-SEM)進(jìn)行了改造，以對處于生命狀態(tài)的樹細(xì)胞壁的納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像。這揭示了次級細(xì)胞壁大纖維的微觀細(xì)節(jié)，其比人的頭發(fā)寬度窄1000倍。

為了比較不同的樹木，他們從劍橋大學(xué)植物園的云杉，銀杏和楊樹中收集了木材樣品。將樣品快速冷凍至零下200°C，以使細(xì)胞保持其活水合狀態(tài)，然后在三納米厚的超薄鉑膜上涂覆，以在顯微鏡下提供良好的可見對比度。

SLCU顯微鏡核心設(shè)施經(jīng)理Raymond Wightman博士說：“與以前使用的技術(shù)相比，我們的cryo-SEM有了顯著進(jìn)步，這使我們能夠首次對水合的木質(zhì)細(xì)胞成像。” “結(jié)果表明，在軟木和硬木物種中都存在直徑超過10納米的大纖維結(jié)構(gòu)，并證實它們在所有研究的樹木中都是常見的。”

Cryo-SEM是強(qiáng)大的成像工具，可幫助您了解植物發(fā)育的各種過程。先前的木材顯微鏡僅限于脫水的木材樣本，必須對其進(jìn)行成像，干燥，加熱或化學(xué)處理。

該小組還對擬南芥的二次細(xì)胞壁進(jìn)行了成像，擬南芥是一種廣泛用作遺傳學(xué)和分子生物學(xué)研究的標(biāo)準(zhǔn)參考植物的一年生植物。他們發(fā)現(xiàn)它也具有突出的大纖維結(jié)構(gòu)。這一發(fā)現(xiàn)意味著擬南芥可以用作進(jìn)一步研究木材建筑的模型。該團(tuán)隊使用了一系列與次級細(xì)胞壁形成有關(guān)的具有不同突變的擬南芥植物，從而能夠研究特定分子在巨纖維形成和成熟中的參與。

SLCU的研究助理Matthieu Bourdon博士說：“擬南芥的變體使我們能夠確定纖維素，木聚糖和木質(zhì)素等不同分子對大纖維形成和成熟的貢獻(xiàn)。因此，我們現(xiàn)在正在開發(fā)一種更好地了解組裝細(xì)胞壁的過程。”

擬南芥的豐富遺傳資源為進(jìn)一步研究次生細(xì)胞壁聚合物的復(fù)雜沉積及其在定義細(xì)胞壁的精細(xì)結(jié)構(gòu)以及如何成熟成木中的作用提供了寶貴的工具。

劍橋大學(xué)生物化學(xué)系的合著者保羅·杜普里教授說：“可視化木材的分子結(jié)構(gòu)使我們能夠研究改變其中某些聚合物的排列方式如何改變其強(qiáng)度。” “了解木材的成分如何組合在一起以形成超堅固的結(jié)構(gòu)，對于理解植物的成熟方式和新材料設(shè)計都很重要。”

Dupree補(bǔ)充說：“世界上越來越多地將木材用作一種更輕，更綠色的建筑材料。” “如果我們能夠增加木材的強(qiáng)度，我們可能會開始看到更多的大型建筑從鋼鐵和混凝土轉(zhuǎn)向木材。”