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(jié)構(gòu)而不會損壞樣品。這項新技術(shù)可以確認淀粉的結(jié)構(gòu)特征，淀粉是生物燃料生產(chǎn)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(shù)，該團隊無需改變納米結(jié)構(gòu)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(zhì)。

ORNL量子信息科學小組的Ali Passian表示：“我們的技術(shù)基本上可以提起外膜。” “這使得內(nèi)部結(jié)構(gòu)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(nèi)部特性。

在美國，大多數(shù)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(chǎn)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(zhì)素-構(gòu)成樹干，樹枝和樹葉的細胞壁的重要結(jié)構(gòu)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?nèi)?，以揭示其?nèi)部結(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)材料的天然，納米級特性，以種植高產(chǎn)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(shù)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(jié)構(gòu)就非常重要。” “這項研究以淀粉為例，說明該技術(shù)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)方面，輕微的化學或物理變化會改變測量結(jié)果，這使得對數(shù)據(jù)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(shù)進行了很多研究。”

研究團隊將sMNA與現(xiàn)有工具結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行了成像，并獲得了前所未有的地形細節(jié)，揭示了結(jié)構(gòu)如何隔開。

他們還對淀粉的機械性能進行了內(nèi)部和外部測量，包括粘塑性(衡量一種物質(zhì)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(jié)構(gòu)與植物其余部分的功能之間的關(guān)系，”他指出他想進一步利用該技術(shù)來研究楊樹中更復雜的結(jié)構(gòu)材料。

據(jù)Passian稱，該技術(shù)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?qū)⑵鋺糜谶@種非常精細的結(jié)構(gòu)，那么其他人也應該能夠?qū)ζ涓信d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(lǐng)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(zhì)量和木質(zhì)纖維素生物質(zhì)生產(chǎn)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。