基于AFM的纳米压痕技术在木材细胞壁力学性能测定等方面的研究现状

木材作为传统的４大材料（其他为塑料、水泥、钢铁）之一，是具有多尺度分级结构的复杂天然高分子复合材料。它具有高强重比、良好的声学和美学等特性，但也存在着尺寸不稳定、易腐朽、易燃烧等缺陷，在某种程度上严重制约了木材的使用。近几十年来，许多科研工作者已致力于木材的改性工作，以便提高木材的强度，改善其尺寸稳定性以及防腐和阻燃等性能。因此，需要借助各种表征手段对改性后木材的结构特性和力学性能进行研究，从而实现对木材结构信息的准确把握和进一步拓宽木材的应用范围。目前，对木材结构和力学性能进行表征的技术主要有拉曼光谱仪、Ｘ射线衍射仪、红外光谱仪、扫描电子显微镜（ＳＥＭ）以及透射电子显微镜（ＴＥＭ）等。但是这些技术的操作条件苛刻，或样品制备过程复杂，并不利于在生理状态下对木材这种天然高分子复合材料结构和力学性能的表征。原子力显微镜（ＡＦＭ）可在大气条件下、液体环境中或真空条件下通过探针与样品表面作用力的监测实现导电样品或非导电样品的表面形态和力学性能的测定，因此非常适合木材样品的分析与研究。原子力显微镜以其独特的优势成为研究木材微观结构和超微观结构不可或缺的重要仪器，为致力于木材科学研究的科研工作者提供了一种更为简洁有效的分析工具。本文综述了原子力显微镜在木材微观尺度结构研究、纤维素表面形貌和粗糙度分析以及基于ＡＦＭ的纳米压痕技术在木材细胞壁力学性能测定等方面的研究现状，并展望了原子力显微镜技术应用于木材胶合界面结构尺寸和性能的原位定量测试，及与其他技术的联用实现对细胞力学性能的测定。

木材是一种多孔状、层次状、各向异性的非均质天然高分子复合材料。现阶段，科研者主要从微观、细观以及宏观３个尺度对木材的性能进行研究。其中的微观尺度通常指在微米尺度下能够观察到的木材细胞壁各层次的结构。早期，ＳＥＭ和ＴＥＭ被广泛用于微观尺度下木材细胞壁特性的研究。ＡＦＭ作为一种新兴的表面结构表征手段，因样品制备简单、分辨率高、可提供真实的三维形貌以及可以在多种环境中进行测试也被开始用于木材微观尺度结构的分析。

Ｈ。ａｎｌｅｙ等于１９９４年在气相环境下通过ＡＦＭ对云杉管胞的壁层结构进行了研究，从图片上能清晰的观察到木材细胞壁壁层结构，并明显地观察到在Ｓ２横截面处呈周期性排列的层状结构。２００１年，Ｃｌａｉｒ等利用ＡＦＭ对同种木材的细胞分别在浸水和气干２种状态下的微观形貌进行了表征，并同时采用ＳＥＭ对细胞壁的干燥表面进行分析，发现２者的观察结果基本一致。２００２年，Ｆａｈｌéｎ等通过ＡＦＭ和ＳＥＭ对挪威云杉管胞壁层结构进行了分析。ＡＦＭ研究结果显示破坏区域的细胞壁呈同心薄层状结构，薄层厚度在１５—２５ｎｍ，相当于单根微纤丝。上述研究结果证明，可以将其他显微技术和ＡＦＭ联用，相互补充，以便掌握更全面的分析数据。１９９７年，Ｎｅｉｎｈｕｉｓ等通过等离子体技术提高云杉木材表面的耐水性，并利用ＡＦＭ对处理前后木材表面形貌进行表征。从ＡＦＭ图片上明显地看出木材表面粗糙度的变化情况，充分体现出了等离子体处理的效果，认为经处理过的木材表面形貌的变化引起了表面粗糙度的改变，从而提高了木材的耐水性。上述结论与Ｂｅｎｔｅ等的研究结果基本一致。进一步采用红外光谱、元素分析等表征手段对木材表面耐水性提高的反应机理进行了更深层次的揭示。试验表明可以将ＡＦＭ与多种表征技术相结合，获得更加全面的木材结构信息，为更好地利用木材及拓宽其应用提供理论基础和依据。