原子尺度模拟揭示软木次生细胞壁S2层的纳米力学行为与分子润滑机制

研究人员通过分子动力学(MD)模拟构建云杉木材S2层的多组分原子模型（含纤维素、半纤维素、木质素和水），揭示水分子作为"分子润滑剂"介导组分间相互作用，发现纤维素微纤维承担主要载荷而木质素在压缩下耗散应力，为理解植物细胞壁"分子结构-力学功能"关系提供新见解。

　　

植物细胞壁作为自然界最复杂的生物材料之一，其独特的力学性能一直吸引着科学家们的目光。特别是树木等高大型植物，它们的机械强度主要来源于次生细胞壁中占比80%厚度的S2层。这个由纤维素微纤维嵌入半纤维素、木质素和水组成的"生物混凝土"结构，虽然已知其宏观力学表现，但分子层面的工作机制仍是未解之谜。传统实验手段难以捕捉纳米尺度的动态过程，而简化模型又无法反映真实材料的复杂性——这正是《Biomacromolecules》最新研究要攻克的核心问题。

来自某研究机构的研究团队创新性地构建了云杉软木S2层的全原子模型，包含7束18链Iβ型纤维素微纤维、阿拉伯葡糖醛酸木聚糖(AGX)和半乳葡甘露聚糖(GGM)两种半纤维素、以及富含愈创木基(G)和对羟基苯基(H)单元的木质素，并引入23%质量分数的水分子。通过分子动力学(MD)模拟结合LAMMPS力学测试，首次在原子尺度揭示了水介导的"分子润滑"机制：纤维素微纤维是主要承力骨架，木质素通过展开变形耗散压缩应力，而半纤维素则通过吸附状态差异实现应力梯度传递。

关键技术方法包括：1) 基于实验数据的多组分模型构建（Cellulose-Builder生成纤维素，LigninBuilder构建木质素）；2) CHARMM36力场下的NAMD分子动力学模拟；3) 采用不同应变率（10^-5和10^-7 fs^-1）的LAMMPS拉伸/压缩测试；4) 氢键生存概率函数分析水分子动力学。

【原子尺度云杉S2模型】
模型密度稳定在1.32-1.33 g/cm³，与实验值吻合。模拟中观察到两束纤维素微纤维自发融合现象，印证了硬木研究中的"融合微纤维"假说。木质素保持水合分散状态而非聚集，与软木特性一致。

【木质素诱导半纤维素构象变化】
木质素促使木聚糖从2₁向3₁螺旋构象转变，尤其在有共价连接的木质素-碳水化合物复合物(LCC)时更显著。甘露聚糖则始终保持2₁构象吸附在纤维素表面，这种构象差异揭示了半纤维素在软木中的特异性结合模式。

【间隙水行为】
水分子在木聚糖-纤维素界面的平均驻留时间(7.6 ns)长于甘露聚糖界面(5.8 ns)，但在疏水区域的驻留时间缩短5 ns。水分子的这种差异化分布证实了其作为"结构水"和"润滑水"的双重功能。

【S2模型的力学性能】
拉伸测试显示"干燥"模型杨氏模量(35.2 GPa)高于"湿润"模型(28.6 GPa)，证实水分的润滑作用。压缩测试中观察到纤维素微纤维的屈曲变形，而木质素通过展开变形耗散能量。应力分布分析揭示：吸附态半纤维素（距纤维素<5?）在拉伸时呈现双峰应力分布，承担更高应力；而压缩时所有组分应力分布趋同。

这项研究首次在原子尺度重现了软木S2层的完整力学响应链条：水分调控半纤维素构象→纤维素微纤维主导载荷传递→木质素通过构象变化耗散能量。特别重要的是，研究发现水分子不仅是简单的塑化剂，而是通过精确的时空分布（驻留时间从0.3到25.9 ns不等）来调控不同界面的摩擦特性。这些发现为理解"活木的韧性"与"干木的脆性"提供了分子基础，对木材改性、生物材料设计具有指导意义。未来研究可进一步探索LCC密度对界面强度的影响，以及温度梯度下的水分子输运机制。

（注：原文未明确标注作者单位，故未在解读中体现；所有数据结论均来自原文，专业术语如Iβ型纤维素、GGM等均按原文格式保留）