阔叶树分枝木材细胞壁取向的区位依赖性变异：基于广角X射线衍射的结构解析与工程应用潜力

《Next Materials》：Position-dependent variations in cell wall orientation of hardwood branches: Evidence from wide-angle X-ray diffraction

本研究针对分枝木材利用率低的问题，通过同步辐射广角X射线衍射技术，系统分析了欧洲水青冈、夏栎和银白杨分枝木材的细胞壁微纤丝取向。研究发现水平生长分枝的细胞壁取向呈现显著不对称性（上侧MFA<10°），而陡峭分枝则呈现干材样均匀结构，首次提出Herman取向因子(fc)可作为分枝木材质量评价的新指标，为高效利用分枝木材提供超微结构层面的科学依据。

　　

木材作为最大的生物圈碳库，其高效利用对缓解气候危机具有重要意义。然而在林木采伐中，占地上生物量20-50%的树梢和分枝组分目前主要被用于能源生产，导致封存的碳被快速释放。分枝木材未能实现材料化利用的关键瓶颈在于其天然变异性大、形态不规则，且缺乏对细胞壁超微结构取向规律的系统认知。特别是阔叶树分枝在适应力学负荷过程中形成的张力木区域，具有独特的G层结构和高度取向的纤维素微纤丝，这些特征直接影响木材的力学性能和加工特性。

为解析分枝木材细胞壁取向的空间变异规律，奥地利维也纳自然资源与生命科学大学的研究团队在《Next Materials》发表了创新性研究。研究人员采用地面激光扫描技术（GeoSLAM ZEB Horizon）对欧洲水青冈(Fagus sylvatica L.)、夏栎(Quercus petraea)和银白杨(Populus alba)三树种进行三维点云采集，基于数字模型选择平生长（<45°）和陡生长（>45°）分枝样本。通过同步辐射广角X射线衍射（DESY PETRA III P07B光束线，87.1 keV）对包含髓心的径向木条进行步进扫描（步长0.2-0.3 mm），采集纤维素{200}晶面衍射数据。采用pyFAI软件包进行方位角积分，通过伪Voigt函数拟合计算微纤丝角(MFA)，并首次引入Herman取向因子(f_c)评估纤维素晶体的整体取向程度。

研究结果揭示了分枝木材细胞壁取向的显著位置依赖性：

3.1 样本间细胞壁取向指标比较

通过小提琴图可视化分析发现，水青冈和栎树的平生长分枝表现出最大不对称性：上侧纤维素{200}强度最高（水青冈57.19 a.u.，栎树46.05 a.u.），f_c值最大（0.63-0.59），MFA最小（<10°）；而下侧则呈现相反趋势。陡生长分枝和杨树样本则呈现更均匀的干材样结构。点二列相关性分析显示，平生长分枝上-下侧取向差异最显著（水青冈r=0.55，栎树r=0.47）。

3.2 细胞壁取向径向趋势探索分析

径向扫描显示所有树种的幼材区（髓心附近）具有最低纤维素强度和f_c值，最高MFA值。水青冈和栎树平生长分枝的上侧存在明显的张力木区域，表现为局部极高的纤维素强度（对应高密度）和f_c值（最高0.7），以及极低的MFA（最低5°）。这些区域与年轮偏心性和晚材带增宽密切相关。杨树样本因年龄较小，表现出更明显的幼材特征，且陡生长分枝反而呈现更高变异性。

3.3 Herman取向因子作为分枝木材质量指标

研究发现f_c因子比MFA更能稳健地反映分枝木材的整体质量特征。f_c值从髓心到树皮呈现递增趋势，在成熟材区达到稳定。尽管张力木区域会导致局部极值，但f_c的整体径向趋势仍能清晰区分幼材和成熟材过渡区，为分枝木材的质量分级提供了新指标。

研究结论表明，分枝木材的细胞壁取向特征与其生长角度和树种建筑模型密切相关。水平生长分枝通过形成不对称的张力木区域实现力学适应，导致细胞壁取向的显著不对称性；而陡峭生长分枝则更接近干材的均匀结构。基于激光扫描的树木形态特征与WAXD超微结构分析的结合，为理解树木适应性生长策略提供了多尺度视角。该研究首次将f_c因子应用于实木取向分析，为分枝木材的质量评价和高效利用提供了新思路，特别是为识别具有优异力学性能的张力木区域提供了技术手段，对推动分枝木材在工程材料领域的应用具有重要意义。