原子力顯微鏡在木材科學研究中的進展

高步紅，徐 莉,2*，孫海軍，宣 艷，唐 穎

(1. 南京林業(yè)大學 現(xiàn)代分析測試中心，江蘇 南京 210037；2. 南京林業(yè)大學 江蘇省南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210037)

木材作為傳統(tǒng)的4大材料(其他為塑料、水泥、鋼鐵)之一，是具有多尺度分級結構的復雜天然高分子復合材料[1]。它具有高強重比、良好的聲學和美學等特性，但也存在著尺寸不穩(wěn)定、易腐朽、易燃燒等缺陷，在某種程度上嚴重制約了木材的使用。近幾十年來，許多科研工作者已致力于木材的改性工作，以便提高木材的強度，改善其尺寸穩(wěn)定性以及防腐和阻燃等性能。因此，需要借助各種表征手段對改性后木材的結構特性和力學性能進行研究，從而實現(xiàn)對木材結構信息的準確把握和進一步拓寬木材的應用范圍。

目前，對木材結構和力學性能進行表征的技術主要有拉曼光譜儀、X射線衍射儀、紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡(SEM)以及透射電子顯微鏡(TEM)等。但是這些技術的操作條件苛刻，或樣品制備過程復雜，并不利于在生理狀態(tài)下對木材這種天然高分子復合材料結構和力學性能的表征。原子力顯微鏡(AFM)可在大氣條件下、液體環(huán)境中或真空條件下通過探針與樣品表面作用力的監(jiān)測實現(xiàn)導電樣品或非導電樣品的表面形態(tài)和力學性能的測定，因此非常適合木材樣品的分析與研究。原子力顯微鏡以其獨特的優(yōu)勢成為研究木材微觀結構和超微觀結構不可或缺的重要儀器，為致力于木材科學研究的科研工作者提供了一種更為簡潔有效的分析工具。本文綜述了原子力顯微鏡在木材微觀尺度結構研究、纖維素表面形貌和粗糙度分析以及基于AFM的納米壓痕技術在木材細胞壁力學性能測定等方面的研究現(xiàn)狀，并展望了原子力顯微鏡技術應用于木材膠合界面結構尺寸和性能的原位定量測試，及與其他技術的聯(lián)用實現(xiàn)對細胞力學性能的測定。

1 原子力顯微鏡在木材微觀尺度結構研究中的應用

木材是一種多孔狀、層次狀、各向異性的非均質天然高分子復合材料?，F(xiàn)階段，科研者主要從微觀、細觀以及宏觀3個尺度對木材的性能進行研究。其中的微觀尺度通常指在微米尺度下能夠觀察到的木材細胞壁各層次的結構。早期，SEM和TEM被廣泛用于微觀尺度下木材細胞壁特性的研究。AFM作為一種新興的表面結構表征手段，因樣品制備簡單、分辨率高、可提供真實的三維形貌以及可以在多種環(huán)境中進行測試也被開始用于木材微觀尺度結構的分析。

Hanley等[2]于1994年在氣相環(huán)境下通過AFM對云杉管胞的壁層結構進行了研究，從圖片上能清晰的觀察到木材細胞壁壁層結構，并明顯地觀察到在S2橫截面處呈周期性排列的層狀結構。2001年，Clair等[3]利用AFM對同種木材的細胞分別在浸水和氣干2種狀態(tài)下的微觀形貌進行了表征，并同時采用SEM對細胞壁的干燥表面進行分析，發(fā)現(xiàn)2者的觀察結果基本一致。2002年，F(xiàn)ahlén等[4]通過AFM和SEM對挪威云杉管胞壁層結構進行了分析。AFM研究結果顯示破壞區(qū)域的細胞壁呈同心薄層狀結構，薄層厚度在15—25 nm，相當于單根微纖絲。上述研究結果證明，可以將其他顯微技術和AFM聯(lián)用，相互補充，以便掌握更全面的分析數(shù)據(jù)。

1997年，Neinhuis等[5]通過等離子體技術提高云杉木材表面的耐水性，并利用AFM對處理前后木材表面形貌進行表征。從AFM圖片上明顯地看出木材表面粗糙度的變化情況，充分體現(xiàn)出了等離子體處理的效果，認為經處理過的木材表面形貌的變化引起了表面粗糙度的改變，從而提高了木材的耐水性。上述結論與Bente等的研究結果基本一致[6]。進一步采用紅外光譜、元素分析等表征手段對木材表面耐水性提高的反應機理進行了更深層次的揭示。試驗表明可以將AFM與多種表征技術相結合，獲得更加全面的木材結構信息，為更好地利用木材及拓寬其應用提供理論基礎和依據(jù)。

2 原子力顯微鏡在纖維素形貌和粗糙度分析中的應用

隨著全球范圍能源危機的加重，生物質資源的研究與開發(fā)引起了科研工作者廣泛的關注。而纖維素作為生物質資源中最重要的一種天然高分子化合物，在紡織、食品和醫(yī)藥等領域得到了廣泛的應用，因此對纖維素的結構進行研究具有重要的意義。原子力顯微鏡作為一種新型的表面結構表征技術，可以通過檢測探針和樣品之間的相互作用力，實現(xiàn)纖維素表面形態(tài)和粗糙度的研究。

1998年，Baker等[7]利用原子力顯微鏡對結晶纖維素大分子結構進行分析，發(fā)現(xiàn)天然纖維素在結構上以纖維二糖為重復單元，在整個結晶區(qū)內，單斜晶系和三斜晶系緊密相連，并以1/4重復單元的錯位排列。Yamamoto和Debzi等[8-9]后期的研究工作發(fā)現(xiàn)，經過熱處理后的熱亞穩(wěn)型的三斜晶系可以轉化成為穩(wěn)定的單斜晶系。2008年，有人利用AFM對纖維素表面形態(tài)進行分析，發(fā)現(xiàn)當選用的基體帶正電荷時，纖維素能夠舒展地附著在表面，而當基體表面帶有負電荷時，纖維素則會形成緊湊的球形結構存在于表面。上述現(xiàn)象是由于纖維素本身含有的極性羥基使其表面帶有負電荷而產生的。因此，在利用AFM對纖維素的形態(tài)進行觀測時，需要綜合考慮基體材料對其形貌的影響。

造紙作為纖維素的一個重要工業(yè)應用，AFM對制漿工藝過程的改善具有現(xiàn)實指導意義。2000年，研究者通過AFM對松木和樺木漿的表面進行了分析，對比了漿料氧脫木素的堿處理脫木素前后的纖維表面形貌的變化情況，結果發(fā)現(xiàn)，在脫除木素的過程中,細纖維表面取代了顆粒表面，并且隨著漿料Kappa值降低,顆粒相也減少[10]，這說明顆粒結構的物質主要是木素。最小顆粒粒徑與文獻中木素分子的理論值一致。2003年，Koljonen等[11]利用AFM對3種云杉機械漿(壓力磨木漿、熱磨機械漿和化學熱磨機械漿)表面化學和形貌進行了分析，發(fā)現(xiàn)機械漿纖維表面的不均勻性。Gustafsson等[12]利用AFM和ESCA研究了2種云杉的熱磨機械漿的表面性能,同時探討了纖維分離溫度以及精磨工序的影響。

AFM能夠測量纖維素表面的粗糙度，纖維素表面粗糙度對纖維間的結合力有一定的影響，因此對纖維表面粗糙度的分析具有實際意義。2001年，Snell等[13]通過AFM的Z高度方向數(shù)據(jù)，對火炬松熱磨機械漿(TMP)纖維表面粗糙度進行了測定。試驗結果證明，纖維表面粗糙度隨著打漿壓力的增大而明顯增加。王建清等[14]利用AFM對添加不同含量SiO2制得的纖維素薄膜的表面形貌及粗糙度進行表征，發(fā)現(xiàn)隨著SiO2含量的增加，復合納米纖維素薄膜的粗糙度在增加，同時結合SEM斷面掃描發(fā)現(xiàn)，SiO2添加量不同時，斷面結構存在明顯的差別。

3 基于AFM的納米壓痕技術在木材細胞壁力學性能測定中的應用

納米壓痕和原子力顯微鏡是分析木材亞微觀結構的重要表征技術，能夠對木材中強化纖維聚合物的界面及木材細胞壁進行原子級空間分辨的表面結構表征，對納米級硬度、彈性、塑性等力學性能進行測定[15]。傳統(tǒng)的納米壓痕技術是直接采用專用納米壓痕儀進行檢測，而將納米壓痕技術與AFM結合是一種新興的測定力學性能的方法?；贏FM的納米壓痕技術是微納米尺度下研究木材及木質材料硬度和彈性模量的重要方法，可以實現(xiàn)對木質材料細胞壁的力學性能(硬度、彈性模量、屈服強度)的量測。

1997年，Wimmer等[16-17]采用納米壓痕技術首次對云杉木材管胞壁的硬度和彈性模量進行了報道，對80年生云杉早晚材管胞2S層的縱向模量平均值的大小進行了計算，并進一步發(fā)現(xiàn)尖削形狀管胞細胞壁邊緣的機械性能最優(yōu)。后續(xù)的研究工作發(fā)現(xiàn)，通過納米壓痕技術測得的細胞壁上的數(shù)據(jù)是離散的，且相鄰管胞次生壁之間的彈性模量和硬度數(shù)據(jù)不一致，研究者推測該現(xiàn)象可能與細胞壁微纖絲角、壓針的有效壓入角度(壓針軸與細胞縱軸之間的夾角)以及幾何形狀等因素相關。2002年，Gindl等[18-20]通過基于AFM技術的納米壓痕儀和小角X射線衍射儀的聯(lián)用，對三聚氰胺改性后的云杉細胞壁S2層的縱向力學性能與微纖絲角之間的作用進行了研究，研究結果發(fā)現(xiàn)，納米壓痕技術測得的彈性模量值與微纖絲角的大小緊密相關，而硬度值受微纖絲角影響較小。2006年，Wang等[21-23]采用連續(xù)納米壓痕技術研究了木材細胞壁的納米級硬度和彈性模量，并報道了天然木材纖維的硬度和彈性模量大小，發(fā)現(xiàn)這與纖維素微纖絲角的大小有關。2009年，Konnerth等[24]采用準靜態(tài)納米壓痕技術，同時結合廣角X射線散射技術和拉曼光譜技術，全面地對納米壓痕測試結果的影響因素展開研究，認為壓針的有效壓入角度對彈性模量測量結果的影響最大，從而使相鄰管胞次生壁之間的彈性模量值的大小存在差別。

在研究厚度為納米級的界面力學性能時，表征較為困難。納米壓痕技術受限于分辨率，不能測得真正的界面區(qū)域[25]；而普通的原子力顯微鏡的力學成像效果受限于材料剛度，不能反應界面的力學信息[26]。然而，Hurley[27]于2009年引入了接觸諧振力顯微鏡 (contact-resonance force microscopy，簡稱CR-FM)，即超聲原子力顯微鏡。它可對納米尺度下的界面形貌特征及其力學信息分布進行表征，從而實現(xiàn)在納米級分辨率下對材料真實力學性能進行定量表征，成為微觀力學表征技術的發(fā)展趨勢。Nair等[28]于2010年利用超聲原子力顯微鏡技術對天然纖維細胞壁各個壁層以及強化天然纖維聚合物界面的力學性能展開研究。根據(jù)實驗結果計算出纖維細胞壁S2層、S1層、胞間層的模量分別為22.5—28.0，17.9—20.2，15.0—15.5 GPa，而被馬來酸酐接枝聚丙烯(MAPP)改性后的界面為118—160 nm，進一步發(fā)現(xiàn)纖維與聚合物間界面區(qū)域的彈性模量呈梯度變化。

4 展望

原子力顯微鏡作為一種新型的表面結構分析儀器，因其獨特優(yōu)勢已被廣泛地應用于木材科學領域，諸如木材微觀尺度結構表征，纖維素表面形貌和粗糙度分析以及基于AFM的納米壓痕技術在木材細胞壁力學性能測定。為了進一步拓展原子力顯微鏡在木材科學領域中的應用，以及將其不斷深入到木材學科的研究工作中，在今后的科研工作中還可以在以下幾方面繼續(xù)開展深入研究：

(1)加強峰值力納米力學模量成像技術在木材領域的研究與應用。峰值力納米力學模量成像技術作為原子力顯微鏡技術的延伸，具有高效率、高分辨率、穩(wěn)定性以及可多次原位測量等特征，能夠實現(xiàn)對界面結構形貌及物理特性的定量檢測，也是對多相材料區(qū)域力學性能進行表征的前沿技術。目前，峰值力納米力學模量成像技術在木材領域的研究尚未普及。今后的科研工作可以加強該方法在木材膠合界面結構尺寸和性能的原位定量測試，為深入研究木材膠合界面的微小區(qū)域提供了新的方法和思路。

(2)木材的各向異性和不均勻性使其結構非常復雜，使用單一表征手段很難對其結構進行全面表征，因此可以將原子力顯微鏡技術與其他多種表征技術相結合及采用不同方法間相互驗證、相互補充，可以更全面地掌握木材結構信息。比如將原子力顯微鏡與激光共聚焦顯微鏡結合使用，觀察樹脂在細胞壁上的分布，從而量化樹脂對細胞壁力學性能的影響；或者將原子力顯微鏡技術與二維核磁共振技術結合，可用于研究涂料和木材間復雜的化學反應與細胞壁力學性能之間的關系，但目前缺乏相關的表征報道。

(3)基于AFM的納米壓痕技術對木材樣品細胞壁的力學性能(硬度、彈性模量等)及其影響因素的研究，以便建立木材細胞壁力學性能與木材產品的力學性能之間的數(shù)學模型,從而為對木材進行加工和改性提供理論依據(jù),最終實現(xiàn)木材產品的超前設計。

[1] 李 堅.木材科學[M].北京:高等教育出版社,2002.

[2] HANLEY S J, GRAY D G. Atomic force microscope images of black spruce wood sections and pulp fibers [J]. Holzforschung, 1994, 48 (1): 29-34.

[3] CLAIR B, THIBAUT B. Shrinkage of the gelatinous layer of poplar and beech tension wood [J]. IAWA Journal, 2001, 22 (2):121-131.

[4] FAHLéN, SALMé.On the lamellar structure of the tracheid cell wall [J]. Plant Biology, 2002, 4 (2):339-345.

[5] NEINHUIS C, BARTHLOTT W. Characterization and distribution of water repellent, self-cleaning plant surfaces [J]. Annals of Botany, 1997, 79 (6):667-677.

[6] BENTE M, AVRAMIDIS G. Wood surface modification in dielectric barrier discharges at atmospheric pressure for creating water repellent characteristics [J]. Holz Roh Werkst, 2004, 62 (3):157-163.

[7] BAKER A A, HELBERT W,SUGIYAMA J, et al. Surface structure of native cellulose microcrystals by AFM[J]. Applied Physics A, 1998, 66: s559-s563．

[8] YAMAMOTO H, HORII F, ODANI H. Structural-changes of native cellulose crystals induced by annealing in aqueous alkaline and acidic solutions at high temperatures [J]. Macromolecules, 1989, 22 (10): 4130-4132.

[9] DEBZI E M, CHANZY H, SUGIYAMA J, et al. The Iα→Iβtransformation of highly crystalline cellulose by annealing in various mediums [J]. Macromolecules, 1991, 24 (26): 6816-6822.

[10] MALKAVAARA J P, ALéN R, PELTONEN J. Scanning probe microscopy of pine and birch kraft pulp fibres [J]. Polymer, 2000, 41 (6): 2121- 2126.

[11] KOLJONEN K, STERBERG M, JOHANSSON L S,et al. Surface chemistry and morphology of different mechanical pulps determined by ESCA and AFM [J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2003, 228 (1):143-158.

[12] GUSTAFSSON J, LEHTO J H, TIENVIERI T. Surface characteristics of thermomechanical pulps; the influence of defibration temperature and refining [J]. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 2003, 225 (1): 95-104.

[13] SNELL R, GROOM L H, RIALS T G. Characterizing the surface roughness of thermo mechanical pulp fibers with atomic force Microscopy [J]. Holzforschung, 2001, 55 (5): 511-520.

[14] 王建清,徐 梅,金政偉,等.納米SiO2/纖維素包裝薄膜結構形態(tài)及性能研究[J].包裝工程,2009,30(9):1-4.

[15] 張?zhí)┤A.微/納米力學測試技術及其應用[M].北京:機械工業(yè)出版社, 2004 : 32-37.

[16] WIMME R, LUCAS B N, TSUI T Y, et al. Longitudinal hardness and Young’s modulus of spruce tracheid secondary walls using nanoidertation technique [J]. Wood Science and Technology, 1997, 1 (2): 131-141.

[17] WIMMER R, LUCAS B N. Comparing mechanical properties of secondary wall and cell corner midder lamella in spruce wood [J]. IAWA Journal, 1997, 18 (1): 77-88.

[18] GINDL W, GUPTA H S.Cell-wall hardness and Young’s modulus of melamine-modified spruce wood by nanoindentation [J]. Composites: Part A, 2002, 33 (8): 1141-1145.

[19] GINDL W, GUPTA H S, SCHOBERL T，et al. Mechanical properties of spruce wood cell walls by nanoindentation [J]. Applied Physics A, 2004, 79 (8): 2069-2073.

[20] GINDL W, SCHOBERL T. The significance of the elastic modulus of wood cell walls obtained from nanoindentation measurements [J]. Composites: Part A, 2004, 35 (11): 1345-1349.

[21] WANG S, LEE S H, TZE W T Y, et al. Nanoindentation as a tool for understanding nao-mechnical properties of cell wall and biocomposites[C]∥2006 International Conference on Nanotechnology. Atlanta Marriott Marquis Hotel， Atlanta, Georgia, 2006.

[22] WANG S, LEE S H, TZE W T Y, et al. Investigating nano-mechnical properties of the wood and ite composites by continuous nanoindentation [C]∥The 8thpacific rim bio-based composites symposium. Kuala Lumpur, Malaysia, 2006.

[23] TEZ W T Y, WANG S, RIALS T G, et al.Nanoindentation of wood cell wall: continuous stiffness and hardness measurements [J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2007, 38 (3):945-953.

[24] KONNERTH J, GIERLINGER N, KECKES J, et al. Actual versus apparent within cell wall variability of nanoindentation results from wood cell walls related to cellulose microfibril angle [J]. Journal of Materials Science, 2009, 44 (16): 4399-4406.

[25] LEE S H, WANG S Q, ENDO T, et al. Visualization of interfacial zones in lyocell fiber-reinforced polypropylene composite by AFM contrast imaging based on phase and thermal conductivity measurements [J]. Holzforschung, 2009, 63(2): 240-247.

[26] LEE S H, WANG S Q, PHARR G M, et al. Evaluation of interphase properties in a cellulose fiber-reinforced polypropylene composite by nanoindentation and finite element analysis [J]. Composites Part A:Applied Science and Manufacturing, 2007, 38 (6): 1517-1524.

[27] HURLEY D C. Contact resonance force microscopy techniques for nanomechanical measurements[M]. In Applied Scanning Probe Methods XI: Scanning Probe Microscopy Techniques，Berlin Heidelberg: Springer, 2009: 97-138.

[28] NAIR S S, WANG S, HURLEY D C.Nanoscale characterization of natural fibers and their composites using contact-resonance force microscopy [J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2010, 41 (5): 624-631.