Forskare vid Department of Energy's Oak Ridge National Laboratory har utvecklat en ny metod för att titta djupt in i biomaterialens nanostruktur utan att skada provet. Denna nya teknik kan bekräfta strukturella särdrag i stärkelse, en kolhydrat som är viktig vid produktion av biobränsle.

Forskargruppen använde den vassa sondspetsen på ett atomkraftmikroskop, eller AFM, för att exakt slå små hål i en mjuk yta, såsom ett biologiskt membran, skapa ett fristående lager som försiktigt kan skalas bort.

Med den nya, icke -påträngande mjuk mekanisk nanoablation, eller sMNA, Metod, teamet fick tillgång till stärkelsegranulat utan att förändra nanostrukturen. Befintliga observationsmetoder kräver att stärkelsens yttre skikt skadas eller förstörs, vilket kan påverka granulernas fysikaliska egenskaper.

"Vår teknik lyfter i princip det yttre membranet, " sa Ali Passian från ORNL:s Quantum Information Science-grupp. "Detta lämnar de inre strukturerna nästan orörda."

Som beskrivs i en artikel publicerad i tidskriften ACS Omega , sMNA gjorde det möjligt för teamet att observera inre egenskaper hos stärkelsegranulat från stamprover av poppelträd.

I USA, det mesta biobränslet kommer från stärkelse i majskärnor som bryts ner till etanol, men poppel har länge varit biobränslekandidater eftersom de växer snabbt och producerar mycket biomassa. Även om poppelbiomassa endast innehåller 3 till 10 % stärkelse, en biologisk energilagringsenhet, trädet har rikligt med socker inslagna i polymera material som cellulosa, hemicellulosa och lignin – viktiga strukturella komponenter som utgör cellväggarna i trädstammar, grenar och löv.

Forskare vill lära sig mer om den infödda, egenskaper i nanoskala hos både stärkelsegranulat och strukturmaterial för att odla produktiva poppel och bäst använda dem som biobränsleråvara.

"Växts cellväggsstruktur är verkligen viktig om vi ska gå till nästa generation av biobränslen, sa Brian Davison, ORNL:s chefsforskare för systembiologi och bioteknik. "Denna studie använde stärkelse som ett exempel på hur denna teknik kan börja få tillgång till några av dessa nanomekaniska strukturmaterial som vi för närvarande inte kan observera i sin ursprungliga cellulära omgivning."

För det här syftet, sMNA:s förmåga att studera nanomekaniska egenskaper utan att skada provet erbjöd fördelar jämfört med traditionella mikroskopimetoder.

"På nivån av polymerer och ultrastrukturer av växtmaterial, små kemiska eller fysikaliska förändringar kan förändra mätresultatet, vilket gör tolkningen av data mer utmanande." sade Passian. "Denna känslighet för förändringar har motiverat mycket forskning mot icke-invasiva och oförstörande mättekniker."

Forskargruppen använde sMNA tillsammans med befintliga verktyg.

"För att kemiskt bekräfta att de observerade granulernas sammansättning verkligen var den av stärkelse, vi använde Raman-spektroskopi, " sa ORNLs Rubye Farahi, en medförfattare på tidningen.

Nästa, teamet distribuerade sMNA och använde AFM för att avbilda upprepade "blocklet"-strukturer i granulerna med oöverträffad topografisk detalj som avslöjar hur strukturerna är fördelade.

De gjorde också interna och externa mätningar av stärkelsens mekaniska egenskaper, inklusive viskoplasticitet, ett mått på hur ett ämne beter sig när det deformeras, och Youngs modul, ett mått på ett materials styvhet.

"Dessa mekaniska egenskaper kan hjälpa till att bestämma hur stärkelsegranulstrukturer kan relatera till funktionen hos resten av växten, "Davison sa, noterar att han skulle vilja använda tekniken ytterligare för att studera mer komplicerade strukturella material i poppel.

Tekniken kan också tillämpas på icke-levande material, enligt Passian. Han föreställer sig att det används på syntetiska polymerer eller till och med 3D-tryckta material.

"Om vi ​​kunde tillämpa det på denna mycket känsliga struktur, andra borde kunna göra detsamma med sina prover av intresse, " sade Passian. "Detta öppnar upp en rad möjligheter inom växtbiologi eller andra områden som har ett behov av att titta på ömtåliga material."

ORNL samarbetade med Aix Marseille University Centre Interdisciplinaire de Nanoscience de Marseille, eller CINAM, på detta arbete. Medförfattare till studien med titeln, "Nanomekanik och Raman-spektroskopi av in situ inhemska kolhydratlagringsgranuler för att förbättra stärkelsekvaliteten och produktion av lignocellulosabiomassa, " inkluderar Ali Passian, Rubye H. Farahi, Udaya C. Kalluri och Brian H. Davison från ORNL, och Aude L. Lereu och Anne M. Charrier från Aix Marseille University. ORNL och CINAM producerade tillsammans bilder i denna forskning.