木材细胞壁纳米纤维分形构造径向和弦向变异规律

离析好的纤维样本均匀分布 ， 用吸管 吸取少许样 本 移至载玻片上 ， 加盖盖玻 片后放人偏 光显微镜的载 物 台上测 量微 纤丝 角 。
Ｎ
数值所反映出的细胞壁超微分形体 系结构 特性及 其变异规律 。 由于木 材 是 一 种 由空 腔 细 胞 组 成 的 高 分 子 生 物体 ， 其复杂多变的超微结构在木材生长的不同方
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木 材 细 胞 壁 纳 米 纤 维 分 形 构 造 径 向和 弦 向变 异 规 律
罗 蓓 杨 守禄 赵 广杰
（． １ 西南林业 大学西南 山地森林资源保育与利用省部共建教育部 重点实验室 ， 云南 昆明 ６０ ２ ； ５２ ４ ２ 北 京林业 大学材料科学与技术学 院， ． 北京 １０ ８ ） ０ ０ ３
分 形理 论于 ２ 纪 中后期 由法 国数 学 家 Ｍａ－ ０世 ｎ ｄｌｒｔ 出 ， 于描 述 自然 界 非线 性 系统 中各 种 复 ｅ ｏ提 ｂ 用
的 。木材作为一种天然高分子材料 ， 细胞壁 中 ｊ 其 的纤维素分子链体系也是一个典型的纤维集合体， 具有不同尺度 、 多个 层次 的 自相 似纤丝 状结 构单 元 。在纳米尺度范围 ， 木材细胞壁 中的纤维素分子 链簇及 由其聚合而成 的微纤丝 ， 或者 由几个微纤丝 组 合 而成 的粗 纤 丝 都 属 于 纳 米 纤 维 的范 畴 。将
Ｋ ｎ ｉｇＹ ｎａ ５ ２４， ｈｎ ；２ ｏ ｅｅｏ ｔｉｌ ｃｅｃ ｎ ｅｈｏｏｙ ｅｉｇＦｒｓｙＵ ｉ ｒｔ，Ｂ ｉｎ ０ ０ ３ ｈｎ ） ｕ ｍ ｎ ｕ ｎｎ６０ ２ Ｃ ｉａ ．Ｃ ｌｇ ｆ ｅ ａ Ｓｉｎｅａ ｄＴ ｃｎ ｌ ，Ｂ ｉｎ ｏｅｔ ｎｖ ｓｙ ｅ ｉｇ１０ ８ ，Ｃ ｉａ ｌ Ｍａ ｒ ｇ ｊ ｒ ｅｉ ｊ
关 键词 ： 材 细胞 壁 ； 木 纳米 纤 维 ； 分形 构造 ； 变异 规律
中图分 类号 ：７ １１ ￥８ ．
文献标 志码 ： Ａ
文章编 号 ：０５—１１ （０ １０ ０５ ２９ ９４ ２ １ ）６— ０９—０ ４
Ｔ ｅ Ｖａ ｉｂ ｌｔ ｆＦ ａ ｔｌＵｌｒ － ｔｕ ｔ ｒ ｆＮａ ｏ－ ｉ ｒｌ ｎ ｈ ｒａ ｉ ｙ ｏ ｒ ｃ ａ ｔａ－ ｒ ｃｕ ｅ ｏ ｎ － ｂ ｉｓ ｉ ｉ Ｓ Ｆ Ｗ ｏ ｄ ＣｅｌＷ ａ ｌＡｌ ｎ ｄ ａ ｎ ａ ｇ ｎ ｉｌＤｉｅ ｔ ｎ ｏ ｌ ｌ ｏ ｇ Ｒａ ｉ ｌａ ｄ Ｔ ｎ ｅ ｔ ｒ ｃｉ ａ ｏ
向上存 在 着各 种各 样 的 变异 ， 对木 材 细 胞 乃 至宏 观 木材 的 各 项 物 理 力 学 性 质 有 着 非 常 重 要 的 影 响 。 木材 细胞 壁 中径 面壁 和 弦 面壁 上 纹 孔 数 量 及 大 小 的差异 ， 晚 材 的分 布 ， 细胞 壁 堆 积 过 程 中纤 维 早 及
ｓ ｄ ．Ｔ ｅｖｒ ｂｌｙｏ ｅ ｒｃａ ｄｍｅｓ ｎ （ ｖｌｅ ｏ ｅｎｎ — ｂ ｌｎｗ ｏ ｅ ａｌｎｂ ｔ ｒｄａ ａ ｄｔｎ ｔ ｙ ｈ ａ ａ ｉｔ ｆｈ ａｔ ｉ ｎｉ ｓ Ｄ） ａ ｓ ｆｈ ａ ｏｆ ｒ ｏｄｃｌｗ ｌｉ ｏ ｉ ｎ — ｕ ｉ ｉ ｔ ｆ ｌ ｏ ｕ ｔ ｉｉ ｉ ｌ ｈ ａ ｌ ａ
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摘要 ｉ 将分 形理 论 引入 木 材 细胞壁超 微 构造 的研 究 ， 以偏 光 显微 镜 测得 细胞 壁 Ｓ 平均微 纤丝 角 层
０ 为基本参量 ， 究木材细胞壁 中纳米纤维的分形维数值 Ｄ沿径向和弦向的变异规律 。结果表明， 研
分形 维数值 沿径 向近 髓 心处数 值 最大 ， 向树皮 方 向 经历骤 降阶段 和 缓 降阶段 ， 波动 式 下 降 ； 形 呈 分 维数值 沿弦 向的最 大值偏 移趋 势不 明显 ， 波动 下 降过程 缓和 ， 明显 的阶段 性特征 。 无
分 形理 论引 入对 木材 细胞 壁 超 微 构造 的研 究 ， 助 借
杂的几何现象 ， 并对非整形物质体系 的内在规律性 进 行定 量表 征 ¨ 。一 般 来 说 ， 有 分 形 特 征 的非 ｊ 具 整形物质体系具有如下 ２个特点 ： ） １ 自相似性 ， 即
重 复放 大分 形 的 细 部 可 看 到 本 身 相 似 的结 构 再 度
通信作者 ： 赵广杰 （９ ３ ） 男 ， １５ 一 ， 博士 ， 教授。研究 方向 ： 木材学 。Ｅ ｍ ｉ：ｈｏ ｓ ｊ ．ｄ ．ｎ － ａｌｚａｗ ＠ｂｆ ｅｕ ｃ 。 ｕ
西
南
林
业
大
学 学
报
第 ３ 卷 １
分 形几 何学 模型 ， 算 出木 材 细 胞 壁 中纳米 级 纤 丝 计 状 结构 单元 的分 形 维数 ， 此可 分 析 和 讨论 分 形 维 以
素、 半纤维素等胞壁主成分 的沉 积规律 ， 使木材 细 胞壁中的纤 丝状结构 单元在不同生长方 向上 的分 形 结构 特征 也存 在 着微 细 的差 异 Ｊ 因此 ， 必要 。 有 分别研究不同细胞壁面纤丝状结构单元分形 特性 的变异 规律 。
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Ｅ Βιβλιοθήκη １ 材料与方法 １ １ 试 验 材料 ．
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图１ 径 向及 弦向试样 的制备
试 验 用 杉 木 （ ｕｍｎ ｈ ｍ ａ ｌｎｅｌｔ Ｌｍ ． Ｃ ｒ ｉ ａ ｉ ａｃｏ ａ（ ａ ｂ ） ｇ ａ
Ｈ ｏ）属 杉科 ， 木属 。２ ０ ｏｋ ， 杉 ０９年 ９月采 自福 建 省 的 天然林 ， 径约 ４ ｍ， 胸 ０ｃ 树龄 约 ３ ， 干材 。 ５ａ气 １２ 试 验 药 品和设 备 ． 蒸馏 水 、 酸 、 酸 钾 、 走 式 切 片 机 、 硝 氯 滑 电热 恒 温 干燥箱 、 光显 微 镜 、 璃 培 养皿 、 偏 玻 毛笔 、 管 、 试 烧
出现 ；） ２ 缺乏平滑性 ， 分形体总是不连续 、 不可微分
收稿 日期 ：０ １— １—１ ２１ ０ ９
基金项 目： 国家 自 然科学基金项 目（ ０ ７ ９７ 资助 。 ３ ８ １６ ） 第１ 作者 ： 罗蓓 （９ ９ ） 女 ， １７ 一 ， 博士生 ， 师。研究方 向： 讲 木材学 。Ｅ ｍ ｉ ｙ ｈｃ ＠１３ ｃｍ － ａ ： ｚ ｈ ６ ．ｏ 。 ｌｉｕ
第３卷 １
第 ６期
西 南
林
业
大
学
学
报
Ｖｏ ． １ Ｎｏ ６ Ｉ３ ．
Ｄｅ ． ０１ ｃ２ ｌ
２１ ０ １年 １ ２月
Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｓ ＴＨＷ ＥＳ ＯＲＥＳ ＯＵ ＴＦ ＴＲＹ ＵＮＩ ＶＥＲＳ Ｙ ｎｌ
ｄ ｉ１ ． ９ ９ ｊｉ ｎ ２ ９ ｏ ：０ ３ ６ ／．ｓ ． ０ ５—１ １ ． ０ ． ６ ０ ４ ｓ ９ ４ ２ １ ０ ． １ １
杯、 电炉 等 。 １ ３ 试 验方 法 ．
１３３ 数据处理 每个试样制取 ２个临时切片 ， ．． 每 个切片选取 ｌ 个纤维个体读数。对测得的 ２ 个微 ０ ０ 纤丝角计算平均值 作为该试样细胞壁 中纤 维的平 均微纤丝角 ， 用分形维数计算式 求各个试样 ３ 的分形维数值 Ｄ 。
Ｄ ＝ ｎ ／ｎ ２ ｏ０ ｌ２ ｌ（ ｃ ｓ） （） １
２ 结果与讨论
２ １ 纤维 分形 构造径 向变异规 律 ．
１３１ 试 样 制 作 已气 干 好 的杉 木 试 材 自基 部 ．． １３ｍ 处 截 取 圆 盘 ， 注 好 立 木 生 长 的南 北 方 向 。 ． 标 在 圆盘上 过髓 心按 南 北 向截取 径 向试 样 ， 样 规格 试 为 １ ｍ ×１ ０ｍ 各 面 刨 平 砂 光 ， 寸允 ０ｍ ０ｍｍ Ｘ１ ｍ， 尺
南北 向北侧 区域径 向排列试样 的分形维数值
见 图 ２ 。
许误差 ±０ １ ｎ。以字母 Ｎ、 别代表 北 、 方 ． ｌ ｍ Ｓ分 南 向 ， 径 向排 列 的试 样 进 行 编 号 ， 号 顺 序 由髓 心 对 编
至树皮 方 向依次标 记 为 Ｎ 、。 Ｓ。 在 圆盘上 的东西 两侧半径 １２处 ， 照 自北 向南 ／ 按
迥
籁 媒
的顺序分别截取弦向试样 ， 试样规格 、 尺寸允许误差
同径 向试样 。以字母 Ｎ、、 、 别代 表北 、 、 、 Ｓｗ Ｅ分 南 西 东 ４个方 向 ， 弦 向排列 的试样 进行 编号 ， 对 编号 顺序
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ｆ ａ ｔｌｔ ｅ ｒ ｓ ｆ ｓ ｉ ｔ ｄ ｃ ｄ ｉｔ ｈ ｅ ｃ ｐ ｉｎ ｆ ｒ ｕ ｔ －ｔ ｃｕ ｅ ｏ ｏ ｄ ｃ ｌ ｗａｌ ｉ ｈ ｓ ｓｒ ｃ ： ｒ ｃａ ｈ ｏ ｙ ｗａ ｒ ｔ ｎ ｒ ｕ ｅ ｎ ｏ ｔ ｅ ｄ ｓ ｒ ｔ ｏ ｌ ａ ｓｒ ｔ ｒ ｆｗ ｏ ｅｌ ｌ ｎ ｔ ｉ ｉ ｏ ｉ ｏ ｒ ｕ