La microscopia ottica a campo vicino a scansione di tipo scattering, una tecnica non distruttiva in cui la punta della sonda di un microscopio disperde impulsi di luce per generare l'immagine di un campione, ha consentito al team di ottenere informazioni sulla composizione delle pareti delle cellule vegetali. Credito:Ali Passian/ORNL, Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Per ottimizzare i biomateriali per la produzione di carta affidabile e conveniente, la costruzione di edifici e lo sviluppo di biocarburanti, i ricercatori spesso studiano la struttura delle cellule vegetali utilizzando tecniche come il congelamento di campioni vegetali o il loro posizionamento nel vuoto. Questi metodi forniscono dati preziosi ma spesso causano danni permanenti ai campioni.
Un team di fisici, tra cui Ali Passian, ricercatore presso l'Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell'Energia, e ricercatori del Centro nazionale francese per la ricerca scientifica, o CNRS, hanno utilizzato metodi di microscopia e spettroscopia all'avanguardia per fornire metodi non distruttivi alternative. Utilizzando una tecnica chiamata microscopia ottica a campo vicino a scansione di tipo scattering, il team ha esaminato la composizione delle pareti cellulari dei giovani pioppi senza danneggiare i campioni.
Ma la squadra aveva ancora altri ostacoli da superare. Sebbene le pareti cellulari delle piante siano notoriamente difficili da navigare a causa della presenza di polimeri complessi come le microfibrille, sottili fili di biomassa che Passian descrive come un labirinto di fili di spaghetti intrecciati, il team ha raggiunto una risoluzione migliore di 20 nanometri, ovvero circa mille volte più piccolo di una ciocca di capelli umani. Questa visione dettagliata ha permesso ai ricercatori di rilevare per la prima volta le proprietà ottiche dei materiali delle cellule vegetali in regioni grandi e piccole, anche fino alla larghezza di una singola microfibrilla. I loro risultati sono stati pubblicati in Materiali per le comunicazioni .
"La nostra tecnica ci ha permesso di esaminare la morfologia del campione e le proprietà ottiche e chimiche su scala nanometrica, il tutto all'interno della stessa misurazione", ha affermato Passian.
Insieme a ORNL e CNRS, il team comprendeva ricercatori dell'Università di Aix-Marseille, del Centro interdisciplinare di nanoscienze di Marsiglia e dell'Istituto Fresnel e della tedesca Neaspec GmbH.
"Finora, queste proprietà ottiche non sono state misurate in situ ma semplicemente da componenti estratti, che non forniscono informazioni nel contesto delle proprietà strutturali e chimiche", ha affermato Aude Lereu, ricercatrice del Fresnel Institute.
Utilizzando la loro tecnica di misurazione per ottenere una serie di immagini dettagliate in una regione della parete cellulare del legno di pioppo, il team ha anche osservato la distribuzione di polimeri strutturali come la lignina e la cellulosa, che sono sostanze dure che fungono da "ossa" di sistemi e possono essere estratti e convertiti in biocarburanti e bioprodotti.
Questi dati potrebbero essere utilizzati per migliorare i trattamenti chimici che utilizzano acidi o enzimi per aumentare la resa dei polimeri e prevenire il degrado dei biomateriali se esposti a fattori esterni, come funghi o umidità. Poiché i campioni di pioppo avevano già attraversato un processo di delignificazione, i ricercatori sono stati in grado di individuare cambiamenti compositivi sia innocui che potenzialmente dannosi.
"Quando si altera un materiale, è importante monitorare esattamente come cambia a livello molecolare", ha detto Passian. "Applicando la nostra tecnica a un esemplare di pioppo pretrattato, siamo stati in grado di studiare il campione tenendo traccia di eventuali cambiamenti che potrebbero influire sulla sua vitalità."
I ricercatori hanno selezionato il pioppo come sistema rappresentativo perché questi alberi crescono rapidamente e richiedono poca manutenzione, ma la tecnica utilizzata sul pioppo potrebbe fornire dati altrettanto dettagliati su molte altre piante, che i ricercatori potrebbero utilizzare per migliorare l'efficienza dei trattamenti e progettare biomateriali ideali.
"La nostra tecnica ha rivelato che alcuni tipi di lignina non sono stati completamente rimossi durante la delignificazione e questi dati potrebbero aiutare a ottimizzare il processo e contribuire a una migliore comprensione della recalcitranza della lignina", ha affermato Lereu.
La tecnica potrebbe anche rivelarsi utile nel campo della produzione additiva, o stampa 3D, che prevede l'impilamento di strati di materiali per creare un'ampia varietà di oggetti, dai pesci finti ai componenti dei veicoli spaziali. Durante il processo di stampa, che Passian descrive come una versione più complessa della glassa su una torta con una tasca da pasticcere, la tecnica di misurazione potrebbe aggiungere uno strato di controllo di qualità per ridurre al minimo gli errori umani, correggere la distribuzione del materiale e rimuovere eventuali contaminanti in tempo reale.
Ottenere un posto in prima fila per i sottili cambiamenti nelle cellule vegetali ha rappresentato una sfida, ma Passian prevede che l'incorporazione dei principi della meccanica quantistica negli esperimenti di microscopia potrebbe consentire ai ricercatori di garantire una visione ancora più ravvicinata senza danneggiare delicati campioni biologici.
"Down the road, quantum science could help bypass the barriers of classical techniques to further improve the resolution of these measurements," he said. + Esplora ulteriormente
