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饱水考古木质文物细胞壁力学性能研究取得重要进展

浏览:233  发布:2020/4/8

国际化学领域知名期刊《Molecules》(IF2019: 3.060)在线发表了我所木材解剖学团队最新研究成果“Even Visually Intact Cell Walls in Waterlogged Archaeological Wood are Chemically Deteriorated and Mechanically Fragile: A Case of a 170 Year-old Shipwreck. Liuyang Han, Xingling Tian, Tobias Keplinger, Haibin Zhou, Ren Li, Kirsi Svedström, Ingo Burgert, Yafang Yin and Juan Guo”(DOI: 10.3390/molecules25051113)。

饱水考古木质文物是世界文化遗产的重要组成部分,木材在长时间水埋条件下发生降解反应,导致木质文物性能发生劣变。考古木材细胞壁力学强度的降低是导致木质文物发生收缩、开裂的关键,准确评估考古木材细胞壁结构与力学性能已成为饱水考古木质文物保护的科学前提与基础。然而,由于木材各类型细胞之间显著的构造差异,考古木材的非均匀降解以及较低的力学性能,造成样品制备及测试方法的实现都存在很大困难,饱水考古木材细胞壁力学性能相关研究鲜有报道。

研究团队在前期饱水考古木材细胞壁精细结构研究的基础上(Deterioration of cell wall in waterlogged wooden archaeological artifacts, 2400 years old. IAWA Journal, 2019, 40(4): 820-844.)http://bbg.criwi.org.cn/news/detail-371.html,针对饱水考古木材细胞壁力学性能,选用“小白礁I号”沉船饱水木材为研究对象,开发适用于饱水考古木材细胞壁纳米压痕测试的非包埋制样方法,有效避免了包埋剂的影响,准确获取了饱水考古木材细胞壁力学性能。结果表明,饱水考古木材细胞壁力学强度显著降低,低腐朽木纤维的细胞壁弹性模量和硬度比正常木材均下降25%以上。借助ATR-FTIR 成像法、13C固体核磁法和广角X射线散射法等多种表征手段,系统研究了饱水考古木材细胞壁的化学成分含量、化学结构、纤维素晶体结构以及孔隙结构的变化,发现了低腐朽木纤维的半纤维素木聚糖甲基葡萄糖醛酸侧链部分降解、多糖含量显著减少、木质素β-O-4键接部分断裂、介孔数量增多等细胞壁变化特点。饱水考古木材中即便是形态结构完整的细胞壁在微纳米尺度上也发生了明显的结构改变,进而造成了细胞壁力学强度降低。本研究建立了较系统的考古木材细胞壁结构与力学性能评估方法,为饱水木质文物的科学保护提供了重要技术支撑。

本研究得到中国林科院中央级公益性科研院所基金项目(编号:CAFYBB2018QB006)、国家自然科学基金项目(编号:31600450)和国家留学基金项目(编号:CSC201803270037)共同资助。韩刘杨博士研究生为论文第一作者,郭娟副研究员为通讯作者。

本研究由我所与中国文化遗产研究院、苏黎世联邦理工学院、瑞士联邦材料研究所和赫尔辛基大学合作完成,是我所首次与国际相关研究机构在饱水木质文物细胞壁领域开展的合作研究。成果为饱水木质文物的评估和加固保护提供了重要的理论依据,同时也为我所与国内外相关科研单位的合作奠定了良好基础。

全文链接:https://www.mdpi.com/1420-3049/25/5/1113



本文作者:韩刘杨 ©中国林科院木材标本馆

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