木材作為傳統的4大材料(其他為塑料、水泥、鋼鐵)之一,是具有多尺度分級結構的復雜天然高分子復合材料。它具有高強重比、良好的聲學和美學等特性,但也存在著尺寸不穩定、易腐朽、易燃燒等缺陷,在某種程度上嚴重制約了木材的使用。近幾十年來,許多科研工作者已致力于木材的改性工作,以便提高木材的強度,改善其尺寸穩定性以及防腐和阻燃等性能。因此,需要借助各種表征手段對改性后木材的結構特性和力學性能進行研究,從而實現對木材結構信息的準確把握和進一步拓寬木材的應用范圍。目前,對木材結構和力學性能進行表征的技術主要有拉曼光譜儀、X射線衍射儀、紅外光譜儀、掃描電子顯微鏡(SEM)以及透射電子顯微鏡(TEM)等。但是這些技術的操作條件苛刻,或樣品制備過程復雜,并不利于在生理狀態下對木材這種天然高分子復合材料結構和力學性能的表征。原子力顯微鏡(AFM)可在大氣條件下、液體環境中或真空條件下通過探針與樣品表面作用力的監測實現導電樣品或非導電樣品的表面形態和力學性能的測定,因此非常適合木材樣品的分析與研究。原子力顯微鏡以其獨特的優勢成為研究木材微觀結構和超微觀結構不可或缺的重要儀器,為致力于木材科學研究的科研工作者提供了一種更為簡潔有效的分析工具。本文綜述了原子力顯微鏡在木材微觀尺度結構研究、纖維素表面形貌和粗糙度分析以及基于AFM的納米壓痕技術在木材細胞壁力學性能測定等方面的研究現狀,并展望了原子力顯微鏡技術應用于木材膠合界面結構尺寸和性能的原位定量測試,及與其他技術的聯用實現對細胞力學性能的測定。
木材是一種多孔狀、層次狀、各向異性的非均質天然高分子復合材料。現階段,科研者主要從微觀、細觀以及宏觀3個尺度對木材的性能進行研究。其中的微觀尺度通常指在微米尺度下能夠觀察到的木材細胞壁各層次的結構。早期,SEM和TEM被廣泛用于微觀尺度下木材細胞壁特性的研究。AFM作為一種新興的表面結構表征手段,因樣品制備簡單、分辨率高、可提供真實的三維形貌以及可以在多種環境中進行測試也被開始用于木材微觀尺度結構的分析。
H。anley等于1994年在氣相環境下通過AFM對云杉管胞的壁層結構進行了研究,從圖片上能清晰的觀察到木材細胞壁壁層結構,并明顯地觀察到在S2橫截面處呈周期性排列的層狀結構。2001年,Clair等利用AFM對同種木材的細胞分別在浸水和氣干2種狀態下的微觀形貌進行了表征,并同時采用SEM對細胞壁的干燥表面進行分析,發現2者的觀察結果基本一致。2002年,Fahlén等通過AFM和SEM對挪威云杉管胞壁層結構進行了分析。AFM研究結果顯示破壞區域的細胞壁呈同心薄層狀結構,薄層厚度在15—25nm,相當于單根微纖絲。上述研究結果證明,可以將其他顯微技術和AFM聯用,相互補充,以便掌握更全面的分析數據。1997年,Neinhuis等通過等離子體技術提高云杉木材表面的耐水性,并利用AFM對處理前后木材表面形貌進行表征。從AFM圖片上明顯地看出木材表面粗糙度的變化情況,充分體現出了等離子體處理的效果,認為經處理過的木材表面形貌的變化引起了表面粗糙度的改變,從而提高了木材的耐水性。上述結論與Bente等的研究結果基本一致。進一步采用紅外光譜、元素分析等表征手段對木材表面耐水性提高的反應機理進行了更深層次的揭示。試驗表明可以將AFM與多種表征技術相結合,獲得更加全面的木材結構信息,為更好地利用木材及拓寬其應用提供理論基礎和依據。