新技术可以对生物燃料材料进行温和观察

能源部橡树岭国家实验室的科学家们开发了一种新方法，可以深入研究生物材料的纳米结构而不会损坏样品。这项新技术可以确认淀粉的结构特征，淀粉是生物燃料生产中的重要碳水化合物。

研究团队使用原子力显微镜(AFM)的尖锐尖端将微小的孔洞精确地打入柔软的表面(例如生物膜)，形成可以轻轻剥离的分离层。

使用新的，非侵入性的软机械纳米消融或sMNA技术，该团队无需改变纳米结构即可获得淀粉颗粒。现有的观察方法要求破坏或破坏淀粉的外层，这会影响颗粒的物理性质。

ORNL量子信息科学小组的Ali Passian表示：“我们的技术基本上可以提起外膜。” “这使得内部结构几乎保持不变。”

如发表在ACS Omega杂志上的论文所述，sMNA使研究小组能够观察到杨树茎样品中淀粉颗粒的内部特性。

在美国，大多数生物燃料来自分解成乙醇的玉米粒中的淀粉，但是白杨树作为生物燃料的长期候选者，因为它们生长迅速并产生大量生物量。尽管杨树生物量仅包含3%至10%的淀粉(一种生物能量存储单位)，但树上有大量的糖包裹在高分子材料中，例如纤维素，半纤维素和木质素-构成树干，树枝和树叶的细胞壁的重要结构成分。

研究人员使用软机械纳米消融或sMNA，将几种淀粉颗粒的表层剥去，以揭示其内部结构。图片提供：美国能源部橡树岭国家实验室;和艾克斯·马赛大学CINaM

研究人员希望更多地了解淀粉颗粒和结构材料的天然，纳米级特性，以种植高产的杨树，并最好地将其用作生物燃料原料。

ORNL系统生物学和生物技术首席科学家布莱恩·戴维森说：“如果我们要使用下一代生物燃料，那么植物细胞壁的结构就非常重要。” “这项研究以淀粉为例，说明该技术如何开始使用我们目前在其原始细胞环境中无法观察到的某些纳米机械结构材料。”

为此，sMNA在不破坏样品的情况下研究纳米机械性能的能力提供了优于传统显微镜方法的优势。

“在聚合物和植物材料的超微结构方面，轻微的化学或物理变化会改变测量结果，这使得对数据的解释更具挑战性。” 帕西安说。这种对变化的敏感性促使人们对无创和无损测量技术进行了很多研究。”

研究团队将sMNA与现有工具结合使用。

ORNL的论文的合著者Rubye Farahi说：“为了化学上确定观察到的颗粒的成分确实是淀粉，我们使用了拉曼光谱法。”

杨树细胞壁的拉曼光谱证实，麻袋状结构的化学组成是淀粉颗粒。图片提供：美国能源部橡树岭国家实验室;和艾克斯·马赛大学CINaM

接下来，研究小组部署了sMNA，并使用AFM对颗粒中重复的“块状”结构进行了成像，并获得了前所未有的地形细节，揭示了结构如何隔开。

他们还对淀粉的机械性能进行了内部和外部测量，包括粘塑性(衡量一种物质变形时的行为)和杨氏模量(衡量一种材料的刚度)。

戴维森说：“那些机械性能可能有助于确定淀粉颗粒结构与植物其余部分的功能之间的关系，”他指出他想进一步利用该技术来研究杨树中更复杂的结构材料。

据Passian称，该技术也可以应用于非生命材料。他想像它会用在合成聚合物甚至是3D打印材料上。

“如果我们能够将其应用于这种非常精细的结构，那么其他人也应该能够对其感兴趣的样本进行同样的处理，” Passian说。“这为植物生物学或任何其他需要寻找精细材料的领域提供了可能性。”

ORNL与艾克斯·马赛大学纳米科学中心(CINaM)合作开展了这项工作。该研究的合著者包括“用于提高淀粉质量和木质纤维素生物质生产的原位天然碳水化合物储存颗粒的纳米力学和拉曼光谱”，包括ORNL的Ali Passian，Rubye H. Farahi，Udaya C. Kalluri和Brian H. Davison。以及艾克斯·马赛大学的Aude L. Lereu和Anne M. Charrier。ORNL和CINaM在这项研究中共同制作了图像。

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