Para optimizar los biomateriales para la producción de papel, la construcción de edificios y el desarrollo de biocombustibles confiables y rentables, los investigadores a menudo estudian la estructura de las células vegetales utilizando técnicas como congelar muestras de plantas o colocarlas en el vacío. Estos métodos proporcionan datos valiosos, pero a menudo causan daños permanentes a las muestras.

Un equipo de físicos, incluido Ali Passian, científico investigador del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía, e investigadores del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia, o CNRS, utilizó métodos de espectroscopia y microscopía de última generación para proporcionar alternativas. Usando una técnica llamada microscopía óptica de campo cercano de barrido de tipo dispersión, el equipo examinó la composición de las paredes celulares de los álamos jóvenes sin dañar las muestras.

Pero el equipo aún tenía otros obstáculos que superar. Aunque las paredes de las células vegetales son notoriamente difíciles de navegar debido a la presencia de polímeros complejos como las microfibrillas (hilos delgados de biomasa que Passian describe como un laberinto de hilos de espagueti entrelazados), el equipo alcanzó una resolución superior a los 20 nanómetros, o unas mil veces más pequeño que un mechón de cabello humano. Esta vista detallada permitió a los investigadores detectar las propiedades ópticas de los materiales de células vegetales por primera vez en regiones grandes y pequeñas, incluso hasta el ancho de una sola microfibrilla. Sus resultados se publicaron en Materiales de comunicación .

"Nuestra técnica nos permitió observar la morfología y las propiedades ópticas y químicas de la muestra a escala nanométrica, todo dentro de la misma medida", dijo Passian.

Junto con ORNL y CNRS, el equipo incluyó investigadores de la Universidad de Aix-Marseille, el Centro Interdisciplinario de Nanociencia de Marsella y el Instituto Fresnel y Neaspec GmbH de Alemania.

"Hasta ahora, estas propiedades ópticas no se midieron in situ, sino simplemente a partir de componentes extraídos, que no brindan información en el contexto de las propiedades estructurales y químicas", dijo Aude Lereu, investigadora del Instituto Fresnel.

Mediante el uso de su técnica de medición para obtener una serie de imágenes detalladas en una región de la pared celular de madera de álamo, el equipo también observó la distribución de polímeros estructurales como la lignina y la celulosa, que son sustancias duras que sirven como "huesos" biológicos. pueden ser extraídos y convertidos en biocombustibles y bioproductos.

Estos datos podrían usarse para mejorar los tratamientos químicos que usan ácidos o enzimas para aumentar los rendimientos de polímeros y evitar que los biomateriales se degraden cuando se exponen a factores externos, como hongos o humedad. Debido a que las muestras de álamo ya habían pasado por un proceso de deslignificación, los investigadores pudieron identificar cambios en la composición tanto inofensivos como potencialmente dañinos.

"Al alterar un material, es importante monitorear exactamente cómo cambia a nivel molecular", dijo Passian. "Al aplicar nuestra técnica a un espécimen de álamo pretratado, pudimos estudiar la muestra y hacer un seguimiento de cualquier cambio que pudiera afectar su viabilidad".

Los investigadores seleccionaron el álamo como sistema representativo porque estos árboles crecen rápidamente y requieren poco mantenimiento, pero la técnica utilizada en el álamo podría proporcionar datos detallados similares sobre muchas otras plantas, que los investigadores podrían usar para mejorar la eficiencia de los tratamientos y diseñar biomateriales ideales.

"Nuestra técnica reveló que algunos tipos de lignina no se eliminaron por completo durante la deslignificación, y estos datos podrían ayudar a optimizar el proceso y contribuir a una mejor comprensión de la recalcitrancia de la lignina", dijo Lereu.

La técnica también podría resultar beneficiosa para el campo de la fabricación aditiva o impresión 3D, que consiste en apilar capas de materiales para crear una amplia variedad de objetos, desde peces falsos hasta componentes de naves espaciales. Durante el proceso de impresión, que Passian describe como una versión más compleja de colocar glaseado en un pastel con una manga pastelera, la técnica de medición podría agregar una capa de control de calidad para minimizar los errores humanos, corregir la distribución del material y eliminar cualquier contaminante en tiempo real.

Ganar un asiento de primera fila para los cambios sutiles en las células vegetales planteó un desafío, pero Passian anticipa que la incorporación de los principios de la mecánica cuántica en los experimentos de microscopía podría permitir a los investigadores asegurar una vista aún más cercana sin dañar muestras biológicas delicadas.

"Down the road, quantum science could help bypass the barriers of classical techniques to further improve the resolution of these measurements," he said. + Explora más

Seeing starch:Novel technique enables gentle observation of biofuel materials