Pour optimiser les biomatériaux pour une production de papier fiable et rentable, la construction de bâtiments et le développement de biocarburants, les chercheurs étudient souvent la structure des cellules végétales en utilisant des techniques telles que la congélation d'échantillons de plantes ou leur mise sous vide. Ces méthodes fournissent des données précieuses mais causent souvent des dommages permanents aux échantillons.

Une équipe de physiciens, dont Ali Passian, chercheur au Laboratoire national d'Oak Ridge du Département de l'énergie, et des chercheurs du Centre national de la recherche scientifique ou CNRS, ont utilisé des méthodes de microscopie et de spectroscopie de pointe pour fournir des résultats non destructifs. alternatives. À l'aide d'une technique appelée microscopie optique à champ proche à balayage de type diffusion, l'équipe a examiné la composition des parois cellulaires de jeunes peupliers sans endommager les échantillons.

Mais l'équipe avait encore d'autres obstacles à surmonter. Bien que les parois cellulaires végétales soient notoirement difficiles à naviguer en raison de la présence de polymères complexes tels que les microfibrilles - de minces fils de biomasse que Passian décrit comme un labyrinthe de cordes de spaghetti entrelacées - l'équipe a atteint une résolution meilleure que 20 nanomètres, soit environ mille fois plus petite qu'une mèche de cheveux humains. Cette vue détaillée a permis aux chercheurs de détecter pour la première fois les propriétés optiques des matériaux cellulaires végétaux dans des régions grandes et petites, même jusqu'à la largeur d'une seule microfibrille. Leurs résultats ont été publiés dans Matériel de communication .

"Notre technique nous a permis d'examiner la morphologie et les propriétés optiques et chimiques de l'échantillon à l'échelle nanométrique, le tout dans la même mesure", a déclaré Passian.

Outre l'ORNL et le CNRS, l'équipe comprenait des chercheurs d'Aix-Marseille Université, du Centre interdisciplinaire de nanosciences de Marseille et de l'Institut Fresnel et de l'allemand Neaspec GmbH.

"Jusqu'à présent, ces propriétés optiques n'étaient pas mesurées in situ mais simplement à partir de composants extraits, qui ne fournissent pas d'informations dans le cadre des propriétés structurelles et chimiques", a déclaré Aude Lereu, chercheuse à l'Institut Fresnel.

En utilisant leur technique de mesure pour obtenir une série d'images détaillées dans une région de la paroi cellulaire du bois de peuplier, l'équipe a également observé la distribution de polymères structuraux tels que la lignine et la cellulose, qui sont des substances dures qui servent d'"os" à la biologie. systèmes et peuvent être extraits et convertis en biocarburants et bioproduits.

Ces données pourraient être utilisées pour améliorer les traitements chimiques qui utilisent des acides ou des enzymes pour augmenter les rendements en polymères et empêcher les biomatériaux de se dégrader lorsqu'ils sont exposés à des facteurs externes, tels que les champignons ou l'humidité. Étant donné que les échantillons de peuplier avaient déjà subi un processus de délignification, les chercheurs ont pu identifier des changements de composition inoffensifs et potentiellement dangereux.

"Lors de la modification d'un matériau, il est important de surveiller exactement comment il change au niveau moléculaire", a déclaré Passian. "En appliquant notre technique à un spécimen de peuplier prétraité, nous avons pu étudier l'échantillon tout en gardant une trace de tout changement susceptible d'affecter sa viabilité."

Les chercheurs ont sélectionné le peuplier comme système représentatif car ces arbres poussent rapidement et nécessitent peu d'entretien, mais la technique utilisée sur le peuplier pourrait fournir des données tout aussi détaillées sur de nombreuses autres plantes, que les chercheurs pourraient utiliser pour améliorer l'efficacité des traitements et concevoir des biomatériaux idéaux. /P>

"Notre technique a révélé que certains types de lignine n'étaient pas complètement éliminés lors de la délignification, et ces données pourraient aider à optimiser le processus et contribuer à une meilleure compréhension de la récalcitrance de la lignine", a déclaré Lereu.

La technique pourrait également s'avérer bénéfique dans le domaine de la fabrication additive, ou impression 3D, qui consiste à empiler des couches de matériaux pour créer une grande variété d'objets, des faux poissons aux composants d'engins spatiaux. Au cours du processus d'impression, que Passian décrit comme une version plus complexe du glaçage à la tuyauterie sur un gâteau avec une poche à douille, la technique de mesure pourrait ajouter une couche de contrôle de la qualité pour minimiser les erreurs humaines, corriger la distribution des matériaux et éliminer tout contaminant en temps réel.

Gaining a front row seat to subtle changes in plant cells posed a challenge, but Passian anticipates that incorporating quantum-mechanical principles into microscopy experiments might allow researchers to secure an even closer view without damaging delicate biological samples.

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

Seeing starch:Novel technique enables gentle observation of biofuel materials