详解原子力显微镜AFM在木材科学研究中的进展

纳米压痕和原子力显微镜是分析木材亚微观结构的重要表征技术，能够对木材中强化纤维聚合物的界面及木材细胞壁进行原子级空间分辨的表面结构表征，对纳米级硬度、弹性、塑性等力学性能进行测定。传统的纳米压痕技术是直接采用专用纳米压痕仪进行检测，而将纳米压痕技术与ＡＦＭ结合是一种新兴的测定力学性能的方法。基于ＡＦＭ的纳米压痕技术是微纳米尺度下研究木材及木质材料硬度和弹性模量的重要方法，可以实现对55第１期高步红等：原子力显微镜在木材科学研究中的进展。

木质材料细胞壁的力学性能（硬度、弹性模量、屈服强度）的量测。

1997年，Ｗｉｍｍｅｒ等采用纳米压痕技术首次对云杉木材管胞壁的硬度和弹性模量进行了报道，对80年生云杉早晚材管胞２Ｓ层的纵向模量平均值的大小进行了计算，并进一步发现尖削形状管胞细胞壁边缘的机械性能最优。后续的研究工作发现，通过纳米压痕技术测得的细胞壁上的数据是离散的，且相邻管胞次生壁之间的弹性模量和硬度数据不一致，研究者推测该现象可能与细胞壁微纤丝角、压针的有效压入角度（压针轴与细胞纵轴之间的夹角）以及几何形状等因素相关。2002年，Ｇｉｎｄｌ等通过基于ＡＦＭ技术的纳米压痕仪和小角Ｘ射线衍射仪的联用，对三聚氰胺改性后的云杉细胞壁Ｓ２层的纵向力学性能与微纤丝角之间的作用进行了研究，研究结果发现，纳米压痕技术测得的弹性模量值与微纤丝角的大小紧密相关，而硬度值受微纤丝角影响较小。2006年，Ｗａｎｇ等采用连续纳米压痕技术研究了木材细胞壁的纳米级硬度和弹性模量，并报道了天然木材纤维的硬度和弹性模量大小，发现这与纤维素微纤丝角的大小有关。2009年，Ｋｏｎｎｅｒｔｈ等采用准静态纳米压痕技术，同时结合广角Ｘ射线散射技术和拉曼光谱技术，全面地对纳米压痕测试结果的影响因素展开研究，认为压针的有效压入角度对弹性模量测量结果的影响最大，从而使相邻管胞次生壁之间的弹性模量值的大小存在差别。

在研究厚度为纳米级的界面力学性能时，表征较为困难。纳米压痕技术受限于分辨率，不能测得真正的界面区域；而普通的原子力显微镜的力学成像效果受限于材料刚度，不能反应界面的力学信息。然而，Ｈｕｒｌｅｙ于2009年引入了接触谐振力显微镜（ｃｏｎｔａｃｔ⁃ｒｅｓｏｎａｎｃｅｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，简称ＣＲ⁃ＦＭ），即超声原子力显微镜。它可对纳米尺度下的界面形貌特征及其力学信息分布进行表征，从而实现在纳米级分辨率下对材料真实力学性能进行定量表征，成为微观力学表征技术的发展趋势。Ｎａｉｒ等于2010年利用超声原子力显微镜技术对天然纤维细胞壁各个壁层以及强化天然纤维聚合物界面的力学性能展开研究。根据实验结果计算出纤维细胞壁Ｓ２层、Ｓ１层、胞间层的模量分别为22.5—28.0，17.9—20.2，15.0—15.5ＧＰａ，而被马来酸酐接枝聚丙烯（ＭＡＰＰ）改性后的界面为118—160ｎｍ，进一步发现纤维与聚合物间界面区域的弹性模量呈梯度变化。

原子力显微镜作为一种新型的表面结构分析仪器，因其独特优势已被广泛地应用于木材科学领域，诸如木材微观尺度结构表征，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。为了进一步拓展原子力显微镜在木材科学领域中的应用，以及将其不断深入到木材学科的研究工作中，在今后的科研工作中还可以在以下几方面继续开展深入研究：（１）加强峰值力纳米力学模量成像技术在木材领域的研究与应用。峰值力纳米力学模量成像技术作为原子力显微镜技术的延伸，具有高效率、高分辨率、稳定性以及可多次原位测量等特征，能够实现对界面结构形貌及物理特性的定量检测，也是对多相材料区域力学性能进行表征的前沿技术。目前，峰值力纳米力学模量成像技术在木材领域的研究尚未普及。今后的科研工作可以加强该方法在木材胶合界面结构尺寸和性能的原位定量测试为深入研究木材胶合界面的微小区域提供了新的，方法和思路。（２）木材的各向异性和不均匀性使其结构非常复杂，使用单一表征手段很难对其结构进行全面表征，因此可以将原子力显微镜技术与其他多种表征技术相结合及采用不同方法间相互验证、相互补充，可以更全面地掌握木材结构信息。比如将原子力显微镜与激光共聚焦显微镜结合使用，观察树脂在细胞壁上的分布，从而量化树脂对细胞壁力学性能的影响；或者将原子力显微镜技术与二维核磁共振技术结合，可用于研究涂料和木材间复杂的化学反应与细胞壁力学性能之间的关系，但目前缺乏相关的表征报道。（３）基于ＡＦＭ的纳米压痕技术对木材样品细胞壁的力学性能（硬度、弹性模量等）及其影响因素的研究，以便建立木材细胞壁力学性能与木材产品的力学性能之间的数学模型，从而为对木材进行加工和改性提供理论依据，最终实现木材产品的超前设计。