近日，复旦大学高分子科学系徐一飞教授课题组与复旦大学中华古籍保护研究院刘鹏教授课题组合作，借助冷冻电子断层扫描（cryo-ET）与 力显智能科技iSTORM超高分辨成像技术等多种高分辨表征手段，成功揭示了棉纤维素老化过程中力学性能退化的核心机制。相关研究成果已发表在国际知名期刊《Small》（IF: 12.1，JCR Q1 ），为提升纤维素材料耐久性提供了全新研究视角。

                          图1、《Small》（IF: 12.1，JCR Q1）

 

核心发现：微纤丝“伸直”，材料变脆

 

纤维素作为地球上最丰富的可再生生物聚合物，凭借低成本、可生物降解、环境友好等优势，在能源存储、光电子、造纸纺织等多个领域发挥着重要作用。然而，纤维素材料（如纸张、棉纺织品）在长期使用或保存中会逐渐变脆，即使只有极少量的分子链断裂（研究指出约0.27%），强度也会“断崖式”下跌。传统技术难以观测其根本原因。

 

为破解这一关键科学问题，研究团队以纯纤维素棉纸为模型体系，通过 105℃干热老化模拟（相当于室温经过1600年自然老化），系统追踪纤维素结构与性能的动态演变。

 

研究团队综合运用低温电子断层扫描（Cryo-ET）等前沿技术，如同给纤维素微纤丝做了纳米级的“三维CT”，清晰捕捉到其结构演变全过程：

●初始状态：纤维素微纤丝呈自然卷曲/螺旋状，相互缠结（图2a,d）。

●老化拐点：老化约100天后，微纤丝开始显著伸直、排列趋于紧密（图2b,e）。

●最终状态：老化后期，伸直的微纤丝进一步横向合并，形成更宽、更刚性的结构（图2c,f）。

 

      图2、纤维素微纤丝在老化过程中的结构演变（Cryo-ET三维重构）（左：老化前卷曲状态；中：老化100天后开始伸直；右：老化200天后进一步合并）

 

 

研究者通过力学模拟进一步证实：卷曲结构能柔性地分散应力，而伸直结构则使应力集中，缺陷更易扩展，完美解释了宏观脆化现象。

 

技术亮点：iSTORM超高分辨率显微成像系统洞察纳米结构

 

为深入探究微观机理，研究还采用了随机光学重构显微镜（STORM）技术。本研究相关的STORM成像实验，正是通过宁波力显智能科技有限公司的 iSTORM 3CM超高分辨成像系统（以下简称INVIEW iSTORM）完成的（图3）。

 

图3、iSTORM成像拍摄方法

 

●技术优势：INVIEW iSTORM系统实现了约15 nm的光学分辨率，能远超光学衍射极限，清晰捕捉到纤维素原纤维上有序区与无序区的周期性分布特征。

●关键作用：在该研究中，STORM被用于观察纤维素纤丝上染料可及区（代表无序区）的分布。通过小分子有机染料标记，使无序区域呈现明亮信号，有序区域呈现暗信号。与TEM成像观察到CNC的有序区长度稳定结论相互印证。

结果证实，老化过程中微纤丝的“伸直”并非由大范围结晶变化引起，而是更精细的纳米级重组（图4）。

图4、纤维素老化过程中的结晶度变化（a,b：老化0天与100天纤维素原纤维的STORM成像图；c,d：老化0天与100天提取的 CNC 的 TEM 成像图）

 

老化过程中纤维素原纤维的有序区（≈200 nm）与无序区（≈50 nm）长度未发生明显变化，但纤维素纳米晶（CNCs）宽度在 70 天左右增至初始尺寸的两倍，这与后续微纤丝伸直转变直接相关，表明纳米尺度再结晶是驱动结构转变的关键因素。结合冷冻电子断层扫描的 3D 重构与有限元模拟验证，明确了微纤丝伸直后缺陷耐受性降低，应力集中加剧，最终导致材料力学性能丧失。

 

INVIEW iSTORM系统以其卓越的稳定性、高分辨率和易用的操作软件，精准捕捉到传统显微镜无法识别的细微结构特征，为解析纤维素微纤丝伸直转变的内在驱动机制提供了直接可视化证据，充分展现了其在生物大分子结构表征中的独特价值。在纳米尺度探索材料科学、生命科学等前沿领域提供了强大工具。

 

应用与意义

 

这项研究不仅为文物纸张保护、高端纺织品耐久性提升提供了直接的科学依据，也为设计更长寿命的纤维素基新材料（如柔性电子基底、特种膜材料）指明了方向——即设法维持或仿生微纤丝的适度卷曲结构。

 

从微观分子断裂，到纳米纤丝结构转变，再到宏观性能失效，这项研究完成了一场跨尺度的精彩机理阐释。而像INVIEW iSTORM这样的先进成像仪器，正是科学家得以“看见”并理解这些过程的“眼睛”。

 

 

 

 

 

仪器设备优质供应商

 

宁波力显智能科技有限公司（INVIEW）作为国产创新的佼佼者，是国际上少有的把2014年诺贝尔化学奖原理实现商业化成果转化的科技型企业，专业从事超高分辨率显微技术产品研发，依托来自复旦大学、香港科技大学的多领域交叉学科技术团队，推出了超高分辨率显微成像系统iSTORM、细胞智能监控助手赛乐微、全自动细胞计数仪INCount等一系列产品，以不断改进的核心技术、高品质的自主研发产品及优质的服务，打造生物医药行业显微成像领域领先品牌，帮助人们以前所未有的视角观察微观世界，突破极限，见所未见。

超高分辨率显微成像系统iSTORM凭借20nm超高分辨率、3通道同时成像、3D同步拍摄、实时重构、2小时新手掌握等特点，使得20 nm分辨率尺度上从事生物大分子的单分子定位与计数、亚细胞及超分子结构解析、生物大分子生物动力学等研究成为现实，给生命科学、医学等领域带来了重大突破，已为包括香港科技大学、香港大学、中山大学、深圳大学、北京大学医学院等在内的超过50家科研小组和100位科研人员的科学研究提供了帮助，并获得了高度认可。