在最新的《ACS Nano》雜志上，由加拿大英屬哥倫比亞大學、芬蘭阿爾托大學、南京林業(yè)大學的研究人員所組成的國際化團隊實現(xiàn)了具有新型直棒狀結(jié)構的甲殼素納米晶體（chitin nanocrystal）的可控制備，并將冷凍透射電子顯微鏡（Cryogenic-TEM，cryo-TEM）與電子斷層掃描（Electron Tomography，ET）技術相結(jié)合，精細解析重構了其手性結(jié)構。該研究展現(xiàn)了超低溫冷凍電鏡與計算機輔助模擬在天然可再生高分子材料精細結(jié)構表征中的應用前景，為新型綠色材料的開發(fā)提供了更好的幫助。研究論文題目為“Chirality from Cryo-Electron Tomograms of Nanocrystals Obtained by Lateral Disassembly and Surface Etching of Never-Dried Chitin”
眾所周知，纖維素納米晶體（CNC）具有紡錘形棒狀形貌。在常見的酸水解制備甲殼素納米晶體過程中，與CNC相似的紡錘形貌也普遍存在。本研究中，英屬哥倫比亞大學的Orlando J. Rajas教授團隊在傳統(tǒng)的酸水解制備方法的基礎上，將表面乙?；{(diào)節(jié)引入到酸水解反應前（圖1），賦予可離子化氨基于疏水性甲殼素纖維簇表面，使纖維簇在酸水解過程中帶有表面正電特性。
這種帶有電荷的纖維簇結(jié)構自發(fā)地形成了簇與簇及簇內(nèi)部的靜電斥力，因此，酸分子更容易滲透進入甲殼素簇內(nèi)部，從而使得緊湊排列的簇狀結(jié)構可以容易的發(fā)生橫向脫組裝 （圖2）。
于此同時，表面陽離子化也在一定程度上增強了甲殼素纖維的表面親水性，使其能夠更均勻的受到酸分子的蝕刻，有利于甲殼素納米晶直棒狀結(jié)構的形成。正如該文第一作者英屬哥倫比亞大學的白龍博士所說，“僅需要簡單的預處理過程，就可以實現(xiàn)天然高分子甲殼素納米顆粒在微觀形貌上的巨大改變，這是極具深入研究探索的科學現(xiàn)象”。
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在該研究中，冷凍電子顯微鏡的成功運用為表征甲殼素納米晶體的直棒狀形貌提供了有力的支持。
眾所周知，生物質(zhì)材料在電鏡觀察中很容易受到電子束的破壞，為直接觀測帶來了困難。
芬蘭阿爾托的科研人員經(jīng)過探索，對電鏡樣品制備工藝與觀測中的參數(shù)設置都進行了優(yōu)化，很好地實現(xiàn)了天然高分子材料的原位觀察。
在得到甲殼素納米晶體于不同電子束角度下的冷凍電鏡結(jié)構后，通過電子斷層掃描技術將其重構成三維模型，進而可以精細地解析其微觀形貌及固有的結(jié)構特性（圖3）。
研究表明，制得的直棒狀納米晶體不具有顯著的手性結(jié)構，即其單根納米晶不具備扭轉(zhuǎn)特性。
這種不具備手性結(jié)構的直棒狀甲殼素納米晶體在開發(fā)特殊用途材料方向具有理想的前景，如取向型紡絲、光學器件等。
于此同時，本研究還證明了低溫電子斷層掃描技術在生物質(zhì)天然高分子材料領域的可行性，為進一步分析生物質(zhì)基納米材料的特性、豐富其結(jié)構認知提供了技術保障。
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