Biocombustibles Energía Renovable Estados Unidos

Al ver el almidón: la técnica novedosa permite una observación suave de los materiales de biocombustibles

marzo 8, 2020
Redaccion

Los científicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han desarrollado un nuevo método para mirar profundamente en la nanoestructura de los biomateriales sin dañar la muestra. 

por Abby Bower

Esta novedosa técnica puede confirmar características estructurales en el almidón, un carbohidrato importante en la producción de biocombustibles.

El equipo de investigación usó la punta afilada de la sonda de un microscopio de fuerza atómica, o AFM, para perforar con precisión pequeños agujeros en una superficie blanda, como una membrana biológica, creando una capa separada que se puede despegar suavemente.

Utilizando la nueva técnica no intrusiva de nanoablación mecánica suave, o sMNA, el equipo accedió a los gránulos de almidón sin alterar la nanoestructura. Los métodos de observación existentes requieren dañar o destruir las capas externas del almidón, lo que puede afectar las propiedades físicas de los gránulos.

«Nuestra técnica básicamente levanta la membrana externa», dijo Ali Passian, del grupo Quantum Information Science de ORNL. «Esto deja las estructuras interiores casi intactas».

Como se describe en un artículo publicado en la revista ACS Omega , sMNA permitió al equipo observar las propiedades interiores de los gránulos de almidón de las muestras de tallo de los álamos.

En los Estados Unidos, la mayoría del biocombustible proviene del almidón en los granos de maíz descompuestos en etanol, pero los álamos han sido candidatos a biocombustibles desde hace mucho tiempo porque crecen rápidamente y producen mucha biomasa. Aunque la biomasa de álamo contiene solo 3 a 10% de almidón, una unidad de almacenamiento de energía biológica, el árbol tiene abundantes azúcares envueltos en materiales poliméricos como celulosa, hemicelulosa y lignina, componentes estructurales importantes que forman las paredes celulares de los troncos, ramas y hojas de los árboles. .

Al ver el almidón: la técnica novedosa permite una observación suave de los materiales de biocombustibles
Usando nanoablación mecánica suave, o sMNA, los investigadores retiraron la capa superior de varios gránulos de almidón para revelar sus estructuras internas. Crédito: Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de los Estados Unidos; y CINaM, Universidad Aix de Marsella

Los investigadores quieren aprender más sobre las propiedades nativas a nanoescala de los gránulos de almidón y los materiales estructurales para cultivar álamos productivos y utilizarlos mejor como materia prima para biocombustibles.

«La estructura de la pared celular de la planta es realmente importante si vamos a pasar a la próxima generación de biocombustibles», dijo Brian Davison, científico jefe de biología y biotecnología de sistemas de ORNL. «Este estudio utilizó el almidón como un ejemplo de cómo esta técnica puede comenzar a acceder a algunos de estos materiales estructurales nanomecánicos que actualmente no podemos observar en su entorno celular original».

Para este propósito, la capacidad de sMNA para estudiar propiedades nanomecánicas sin dañar la muestra ofreció ventajas sobre los métodos tradicionales de microscopía.

«A nivel de polímeros y ultraestructuras de materiales vegetales, ligeros cambios químicos o físicos pueden alterar el resultado de la medición, lo que hace que la interpretación de los datos sea más difícil». Dijo Passian. «Esta susceptibilidad a los cambios ha motivado mucha investigación hacia técnicas de medición no invasivas y no destructivas».

El equipo de investigación utilizó sMNA junto con las herramientas existentes.

«Para confirmar químicamente que la composición de los gránulos observados era de hecho de almidón, utilizamos la espectroscopía Raman», dijo Rubye Farahi de ORNL, coautor del artículo.

Al ver el almidón: la técnica novedosa permite una observación suave de los materiales de biocombustibles
La espectroscopía Raman de las paredes celulares de los álamos confirmó que la composición química de las estructuras en forma de saco era la de los gránulos de almidón. Crédito: Laboratorio Nacional Oak Ridge, Departamento de Energía de los Estados Unidos; y CINaM, Universidad Aix de Marsella

Luego, el equipo desplegó sMNA y usó AFM para obtener imágenes repetidas de estructuras «blocklet» dentro de los gránulos con detalles topográficos sin precedentes que revelan cómo están espaciadas las estructuras.

También tomaron mediciones internas y externas de las propiedades mecánicas del almidón, incluida la viscoplasticidad, una medida de cómo se comporta una sustancia cuando se deforma, y ​​el módulo de Young, una medida de la rigidez de un material.

«Esas propiedades mecánicas pueden ayudar a determinar cómo las estructuras de los gránulos de almidón pueden relacionarse con la función del resto de la planta», dijo Davison, y señaló que le gustaría seguir utilizando la técnica para estudiar materiales estructurales más complicados en el álamo.

La técnica también podría aplicarse a materiales no vivos, según Passian. Se imagina que se usa en polímeros sintéticos o incluso en materiales impresos en 3D.

«Si pudiéramos aplicarlo a esta estructura tan delicada, otros deberían poder hacer lo mismo con sus muestras de interés», dijo Passian. «Esto abre una gama de posibilidades en biología vegetal o en cualquier otra área que tenga la necesidad de observar materiales delicados».

ORNL colaboró ​​con el Centro Interdisciplinar de Nanociencia de Marsella de la Universidad Aix de Marsella, o CINaM, en este trabajo. Los coautores del estudio titulado «Nanomecánica y espectroscopía Raman de gránulos de almacenamiento de carbohidratos nativos in situ para mejorar la calidad del almidón y la producción de biomasa lignocelulósica» incluyen a Ali Passian, Rubye H. Farahi, Udaya C. Kalluri y Brian H. Davison de ORNL y Aude L. Lereu y Anne M. Charrier de la Universidad Aix de Marsella. ORNL y CINaM produjeron conjuntamente imágenes en esta investigación.

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