香蕉与芋头天然纤维的结构弹性及形态学研究及其在可持续生物基材料中的应用

本研究针对合成纤维造成的微塑料污染问题，聚焦香蕉(Musa sapientum)和芋头(Colocasia esculenta)农业废弃纤维，通过PXRD、SEM-EDS、弹性张量分析(ELATE)等技术，揭示了其单斜晶系纤维素结构、空间异质性电子密度分布及弹性模量各向异性特征，C/O比达80.7%和54.9%，为生物基材料开发提供理论支撑。

　　

全球每年约有35%的海洋微塑料污染源自合成纤维，这些石油基材料虽在航空航天等领域表现优异，却对生态系统造成深远危害——从阻碍海洋生物繁殖到破坏食物链。在此背景下，香蕉(Musa sapientum)和芋头(Colocasia esculenta)等农业废弃纤维因其可再生、可降解特性成为研究热点，但对其微观结构-性能关系的认知仍存空白。

来自印度迈索尔的研究团队在《International Journal of Biological Macromolecules》发表研究，首次通过多尺度表征技术揭示了这两种纤维的结构弹性特征。研究人员采用粉末X射线衍射(PXRD)结合Rietveld精修确定晶体结构，运用弹性张量分析工具(ELATE)计算空间弹性模量，并通过扫描电镜(SEM)-能谱(EDS)解析元素组成，辅以Scherrer方程和Williamson-Hall图计算晶粒尺寸。

主要技术方法
研究从印度迈索尔采集香蕉假茎和芋头叶柄纤维，经蒸馏水清洗后28^oC晒干7天。使用Cu K-α辐射(λ=1.54 ?)的SmartLab衍射仪获取XRD数据，通过Materials Studio软件进行电子密度建模，ELATE工具分析弹性张量，SEM-EDS检测表面形貌及元素分布。

研究结果

1. 晶体结构分析
   Rietveld精修证实两种纤维均为单斜晶系纤维素I_β结构，香蕉纤维晶胞参数a=7.89 ?表现出更高各向异性。电子密度三维映射显示香蕉纤维存在显著密度波动，与其更异质的有序区域分布相关。

2. 弹性性能
   弹性模量沿[100]晶向最高(香蕉18.7 GPa)，Treloar原理计算显示芋头纤维剪切模量G₁₂高出23%，表明更适合承受扭转载荷。

3. 表面特性
   SEM显示香蕉纤维表面平滑度比芋头高40%，后者呈现10-50 μm不规则沟壑。EDS检测到Mg、Cl等痕量元素，香蕉纤维C/O比达80.7%，显著高于芋头的54.9%。

4. 生物活性
   香蕉纤维抗氧化活性(7.71%)是芋头(3.97%)的1.9倍，但芋头抗菌抑菌圈直径(10 mm)更优，可能与表面含K⁺相关。

结论与意义
该研究首次建立了香蕉与芋头纤维"晶体结构-电子密度-力学性能"的构效关系模型，证实香蕉纤维更适合需要高刚度的应用场景，而芋头纤维在抗剪切和抗菌领域潜力突出。通过量化C/O比和痕量元素分布，为后续表面改性提供了精准调控靶点。这些发现不仅为替代石油基纤维提供了科学依据，更拓展了农业废弃物在生物医用材料、环保建材等领域的应用前景。