基于光子晶体结构的棕榈纤维表面硅石生物光热作用的研究

By electron microscopic observation, energy dispersive X-ray (EDX) spectrum, attenuated total reflection (ATR) spectrum measurement, silica bodies distributed on the surface of palm fiber bundles are investigated, including micro-structural features，chemical characteristics, the arrangement of silica bodies and the element of photonic crystal structure. Three-dimensional (3D) reconstruction model of silica bodies in palm fiber bundles is established by X-ray micro-CT scanning(X-ray mico-CT). Through infrared imaging experiments, surface temperature variations of palm fiber bundles under light irradiation with different wavelengths of light irradiation are characterized. Based on photonic crystal structure, the photonic band gap that derived by silica bodies is calculated, which corresponds to a special wavelength. The photothermal effects of palm fibrovascular bundles are related to the wavelengths of light. The dynamic physical model of silica arrangements and palm fiber surface temperature distribution is simulated. The research results on structural features, arrangements and photothermal effects by silica bodies of palm fiber bundles can provide new methods and new directions for stable and functional application of biomass fibrous materials. The discovering of this research could broaden the vision for a new generation of bio-inspired materials with light shielding and temperature regulation functions.

通过电镜观察、X射线能谱分析(EDX)、全反射红外光谱(ATR)等方法研究棕榈表面硅石的微观构造，化学组成，硅石排列、分布规律与光子晶体结构的关系；并基于X射线显微CT成像技术(X-ray mico-CT)，建立硅石在棕榈纤维表面分布的三维模型。利用红外热像仪测量不同波长光辐照参数下棕榈纤维表面的温度场分布；基于光子晶体结构的禁带特征模拟推导纤维表面硅石所能屏蔽的光波长，以及此波长对纤维表面光热分布的影响；解析不同波长的光与纤维表面温度的光热效应；构建硅石排列影响纤维表面温度场分布的动态物理模型。探讨棕榈纤维表面硅石结构、分布与光热性能之间的关系，开展生物质纤维材料的稳定性和功能性研究，用以指导开发屏蔽特定光波、调控温度的新型智能材料。

本研究通过场发射扫描电子显微镜与透射电子显微镜观察，发现棕榈纤维状维管束表面的硅石颗粒存在于特殊的硅石细胞内；观测大量棕榈纤维状维管束得到维管束表面硅石分布具有一定的周期性规律，并模拟棕榈表面硅石分布排列图。硅石颗粒直径为10.39±1.40μm；硅石细胞孔穴直径为10.06±1.25μm；硅石细胞的孔穴中心点间距为16.83±2.13μm；两排硅石细胞孔穴的间距为13.79±4.14μm。透射电子显微镜观察发现硅石内部结构为中空构造，且由无定形纳米碎片组成；扫描电子显微镜结合X射线能谱分析（EDS）结果显示硅石无定形纳米碎片与硅石均为Si元素和O元素组成的化合物。通过大型同步辐射装置SPring-8对棕榈纤维状维管束进行断层扫描，并利用图像重建技术对棕榈纤维状维管束和表面硅石进行三维图像重建；发现硅石主要分布在棕榈维管束纤维鞘一侧；而维管束导管、筛管等疏导组织一侧并没有硅石分布。对沿维管束表面展开的重建图像进行快速傅里叶变换（FFT），获得硅石排列的频谱图，即硅石分布频率。根据三维重建图像与频谱图分析计算，发现硅石在棕榈纤维状维管束表面的分布并不具有二维方向的可重复性，无法进行二维光子晶体构造的拟合；但硅石在沿维管束轴向的线性方向具有一定的分布规律。结合红外热成像结果分析，硅石沿维管束轴向的线性分布有助于减缓维管束的升温，且提高维管束轴向热传递速度，可以使得棕榈纤维表面升温后可迅速降低其表面温度，从而使得棕榈树干在高温下仍能够维持正常的生理代谢；这对纤维材料表面覆硅、使其产生智能热调控等作用具有指导意义。