Para otimizar biomateriais para produção de papel confiável e econômica, construção de edifícios e desenvolvimento de biocombustíveis, os pesquisadores geralmente estudam a estrutura das células vegetais usando técnicas como congelar amostras de plantas ou colocá-las no vácuo. Esses métodos fornecem dados valiosos, mas geralmente causam danos permanentes às amostras.
Uma equipe de físicos, incluindo Ali Passian, pesquisador do Laboratório Nacional Oak Ridge do Departamento de Energia, e pesquisadores do Centro Nacional Francês de Pesquisa Científica, ou CNRS, usaram métodos de microscopia e espectroscopia de última geração para fornecer métodos não destrutivos alternativas. Usando uma técnica chamada microscopia óptica de campo próximo de varredura do tipo espalhamento, a equipe examinou a composição das paredes celulares de álamos jovens sem danificar as amostras.

Mas a equipe ainda tinha outros obstáculos a superar. Embora as paredes celulares das plantas sejam notoriamente difíceis de navegar devido à presença de polímeros complexos, como microfibrilas – fios finos de biomassa que Passian descreve como um labirinto de fios de espaguete entrelaçados – a equipe alcançou uma resolução melhor que 20 nanômetros, ou cerca de mil vezes menor que um fio de cabelo humano. Essa visão detalhada permitiu que os pesquisadores detectassem propriedades ópticas de materiais de células vegetais pela primeira vez em regiões grandes e pequenas, até a largura de uma única microfibrila. Seus resultados foram publicados em Materiais de Comunicação .

"Nossa técnica nos permitiu observar a morfologia da amostra e as propriedades ópticas e químicas na escala nanométrica - tudo dentro da mesma medida", disse Passian.

Juntamente com o ORNL e o CNRS, a equipe incluiu pesquisadores da Universidade Aix-Marseille, do Centro Interdisciplinar de Nanociência de Marselha e do Instituto Fresnel e da Neaspec GmbH da Alemanha.

"Até agora, essas propriedades ópticas não eram medidas in situ, mas apenas a partir de componentes extraídos, que não fornecem informações no contexto das propriedades estruturais e químicas", disse Aude Lereu, pesquisador do Instituto Fresnel.

Ao usar sua técnica de medição para obter uma série de imagens detalhadas em uma região da parede celular da madeira do álamo, a equipe também observou a distribuição de polímeros estruturais como lignina e celulose, que são substâncias duras que servem como "ossos" da biologia sistemas e podem ser extraídos e convertidos em biocombustíveis e bioprodutos.

Esses dados podem ser usados ​​para melhorar os tratamentos químicos que usam ácidos ou enzimas para aumentar os rendimentos dos polímeros e evitar que os biomateriais se degradem quando expostos a fatores externos, como fungos ou umidade. Como as amostras de álamo já haviam passado por um processo de deslignificação, os pesquisadores conseguiram identificar mudanças de composição inofensivas e potencialmente prejudiciais.

"Ao alterar um material, é importante monitorar exatamente como ele muda no nível molecular", disse Passian. “Ao aplicar nossa técnica a um espécime de álamo pré-tratado, fomos capazes de estudar a amostra enquanto acompanhamos quaisquer mudanças que possam afetar sua viabilidade”.

Os pesquisadores selecionaram o álamo como um sistema representativo porque essas árvores crescem rapidamente e exigem pouca manutenção, mas a técnica usada no álamo pode fornecer dados igualmente detalhados sobre muitas outras plantas, que os pesquisadores podem usar para melhorar a eficiência dos tratamentos e criar biomateriais ideais.

"Nossa técnica revelou que alguns tipos de lignina não foram totalmente removidos durante a deslignificação, e esses dados podem ajudar a otimizar o processo e contribuir para uma melhor compreensão da recalcitrância da lignina", disse Lereu.

A técnica também pode ser benéfica para o campo da manufatura aditiva, ou impressão 3D, que envolve empilhar camadas de materiais para criar uma grande variedade de objetos, de peixes falsos a componentes de naves espaciais. Durante o processo de impressão, que Passian descreve como uma versão mais complexa de glacê em um bolo com um saco de confeitar, a técnica de medição pode adicionar uma camada de controle de qualidade para minimizar erros humanos, corrigir a distribuição do material e remover quaisquer contaminantes em tempo real.

Ganhar um lugar na primeira fila para mudanças sutis nas células vegetais representou um desafio, mas Passian antecipa que a incorporação de princípios da mecânica quântica em experimentos de microscopia pode permitir que os pesquisadores garantam uma visão ainda mais próxima sem danificar amostras biológicas delicadas.

“No futuro, a ciência quântica pode ajudar a contornar as barreiras das técnicas clássicas para melhorar ainda mais a resolução dessas medições”, disse ele. + Explorar mais

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