揭示木材的纳米结构可能有助于提高木质摩天大楼的高度限制

使用木材作为钢和混凝土的一种更轻便，更可持续的建筑替代品在世界范围内引起了越来越多的兴趣。尽管木材已在建筑物中使用了数千年，但其机械性能尚未达到主要上部结构的所有现代建筑标准。这部分是由于对木质细胞精确结构的了解有限。

今天发表在《植物科学前沿》上的这项研究还确定了拟南芥植物是合适的模型，可以帮助指导未来的林业育种计划。

剑桥大学生物化学系的第一作者Jan Lyczakowski博士说：“决定强度的是木材的分子结构，但直到现在我们还不知道确切的分子。这种新技术使我们能够观察到大纤维的组成，以及植物之间的分子排列如何不同，这有助于我们了解这可能对木材的密度和强度产生怎样的影响。”

木材的主要结构块是每个木质单元周围的次生壁，次级壁由称为纤维素和半纤维素的大型聚合物基质制成，并浸有木质素。由于这些次生细胞壁，树木(例如巨型红杉)只能达到其巨大的高度，这些次生壁在树干中的细胞周围提供了刚性结构。

剑桥大学生物化学系和塞恩斯伯里实验室(SLCU)的研究小组对低温扫描电子显微镜(cryo-SEM)进行了改造，以对处于生命状态的树细胞壁的纳米结构进行成像。这揭示了次级细胞壁大纤维的微观细节，其比人的头发宽度窄1000倍。

为了比较不同的树木，他们从剑桥大学植物园的云杉，银杏和杨树中收集了木材样品。将样品快速冷冻至零下200°C，以使细胞保持其活水合状态，然后在三纳米厚的超薄铂膜上涂覆，以在显微镜下提供良好的可见对比度。

SLCU显微镜核心设施经理Raymond Wightman博士说：“与以前使用的技术相比，我们的cryo-SEM有了显着进步，这使我们能够首次对水合的木质细胞成像。” “结果表明，在软木和硬木物种中都存在直径超过10纳米的大纤维结构，并证实它们在所有研究的树木中都是常见的。”

Cryo-SEM是强大的成像工具，可帮助您了解植物发育的各种过程。先前的木材显微镜仅限于脱水的木材样本，必须对其进行成像，干燥，加热或化学处理。

该小组还对拟南芥的二次细胞壁进行了成像，拟南芥是一种广泛用作遗传学和分子生物学研究的标准参考植物的一年生植物。他们发现它也具有突出的大纤维结构。这一发现意味着拟南芥可以用作进一步研究木材建筑的模型。该团队使用了一系列与次级细胞壁形成有关的具有不同突变的拟南芥植物，从而能够研究特定分子在巨纤维形成和成熟中的参与。

SLCU的研究助理Matthieu Bourdon博士说：“拟南芥的变体使我们能够确定纤维素，木聚糖和木质素等不同分子对大纤维形成和成熟的贡献。因此，我们现在正在开发一种更好地了解组装细胞壁的过程。”

拟南芥的丰富遗传资源为进一步研究次生细胞壁聚合物的复杂沉积及其在定义细胞壁的精细结构以及如何成熟成木中的作用提供了宝贵的工具。

剑桥大学生物化学系的合著者保罗·杜普里教授说：“可视化木材的分子结构使我们能够研究改变其中某些聚合物的排列方式如何改变其强度。” “了解木材的成分如何组合在一起以形成超坚固的结构，对于理解植物的成熟方式和新材料设计都很重要。”

Dupree补充说：“世界上越来越多地将木材用作一种更轻，更绿色的建筑材料。” “如果我们能够增加木材的强度，我们可能会开始看到更多的大型建筑从钢铁和混凝土转向木材。”