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        新技術可以對生物燃料材料進行溫和觀察
        
			
        
				2020-02-26 09:34:16
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        能源部橡樹嶺國家實驗室的科學家們開發(fā)了一種新方法，可以深入研究生物材料的納米結構而不會損壞樣品。這項新技術可以確認淀粉的結構特征，淀粉是生物燃料生產中的重要碳水化合物。
        

        

        研究團隊使用原子力顯微鏡(AFM)的尖銳尖端將微小的孔洞精確地打入柔軟的表面(例如生物膜)，形成可以輕輕剝離的分離層。
        

        使用新的，非侵入性的軟機械納米消融或sMNA技術，該團隊無需改變納米結構即可獲得淀粉顆?！，F(xiàn)有的觀察方法要求破壞或破壞淀粉的外層，這會影響顆粒的物理性質。
        

        ORNL量子信息科學小組的Ali Passian表示：“我們的技術基本上可以提起外膜。” “這使得內部結構幾乎保持不變。”
        

        如發(fā)表在ACS Omega雜志上的論文所述，sMNA使研究小組能夠觀察到楊樹莖樣品中淀粉顆粒的內部特性。
        

        在美國，大多數生物燃料來自分解成乙醇的玉米粒中的淀粉，但是白楊樹作為生物燃料的長期候選者，因為它們生長迅速并產生大量生物量。盡管楊樹生物量僅包含3%至10%的淀粉(一種生物能量存儲單位)，但樹上有大量的糖包裹在高分子材料中，例如纖維素，半纖維素和木質素-構成樹干，樹枝和樹葉的細胞壁的重要結構成分。
        

        研究人員使用軟機械納米消融或sMNA，將幾種淀粉顆粒的表層剝去，以揭示其內部結構。圖片提供：美國能源部橡樹嶺國家實驗室;和艾克斯·馬賽大學CINaM
        

        研究人員希望更多地了解淀粉顆粒和結構材料的天然，納米級特性，以種植高產的楊樹，并最好地將其用作生物燃料原料。
        

        ORNL系統(tǒng)生物學和生物技術首席科學家布萊恩·戴維森說：“如果我們要使用下一代生物燃料，那么植物細胞壁的結構就非常重要。” “這項研究以淀粉為例，說明該技術如何開始使用我們目前在其原始細胞環(huán)境中無法觀察到的某些納米機械結構材料。”
        

        為此，sMNA在不破壞樣品的情況下研究納米機械性能的能力提供了優(yōu)于傳統(tǒng)顯微鏡方法的優(yōu)勢。
        

        “在聚合物和植物材料的超微結構方面，輕微的化學或物理變化會改變測量結果，這使得對數據的解釋更具挑戰(zhàn)性。” 帕西安說。這種對變化的敏感性促使人們對無創(chuàng)和無損測量技術進行了很多研究。”
        

        研究團隊將sMNA與現(xiàn)有工具結合使用。
        

        ORNL的論文的合著者Rubye Farahi說：“為了化學上確定觀察到的顆粒的成分確實是淀粉，我們使用了拉曼光譜法。”
        

        楊樹細胞壁的拉曼光譜證實，麻袋狀結構的化學組成是淀粉顆粒。圖片提供：美國能源部橡樹嶺國家實驗室;和艾克斯·馬賽大學CINaM
        

        接下來，研究小組部署了sMNA，并使用AFM對顆粒中重復的“塊狀”結構進行了成像，并獲得了前所未有的地形細節(jié)，揭示了結構如何隔開。
        

        他們還對淀粉的機械性能進行了內部和外部測量，包括粘塑性(衡量一種物質變形時的行為)和楊氏模量(衡量一種材料的剛度)。
        

        戴維森說：“那些機械性能可能有助于確定淀粉顆粒結構與植物其余部分的功能之間的關系，”他指出他想進一步利用該技術來研究楊樹中更復雜的結構材料。
        

        據Passian稱，該技術也可以應用于非生命材料。他想像它會用在合成聚合物甚至是3D打印材料上。
        

        “如果我們能夠將其應用于這種非常精細的結構，那么其他人也應該能夠對其感興趣的樣本進行同樣的處理，” Passian說。“這為植物生物學或任何其他需要尋找精細材料的領域提供了可能性。”
        

        ORNL與艾克斯·馬賽大學納米科學中心(CINaM)合作開展了這項工作。該研究的合著者包括“用于提高淀粉質量和木質纖維素生物質生產的原位天然碳水化合物儲存顆粒的納米力學和拉曼光譜”，包括ORNL的Ali Passian，Rubye H. Farahi，Udaya C. Kalluri和Brian H. Davison。以及艾克斯·馬賽大學的Aude L. Lereu和Anne M. Charrier。ORNL和CINaM在這項研究中共同制作了圖像。
        
			

			
          
        
			
        
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