高大樹木中水分的上升現(xiàn)象已經令科學家著迷了一個世紀之久。然而，在自然且未受干擾的樹木中，水分的微觀狀態(tài)和動態(tài)行為仍然未知。這篇文章中，武教授團隊采用低場核磁共振（NMR）技術來原位監(jiān)測活樹內水分的分布和移動，揭露了樹木中獨特的水分傳輸過程。木質部導管的分層壁是水分連續(xù)上升的主要通道，而木質部導管的作用更像是一個臨時的蓄水池。導管壁內的螺旋納米纖維由串聯(lián)纏繞的晶體區(qū)和非晶區(qū)域組成，形成了一個螺旋文丘里分子泵結構，能有效地從木質部導管蓄水池中抽取水分。重要的是，這些螺旋納米纖維具有一個半無序的表面，嵌入了一層類似于冰的固態(tài)水。這種自潤滑的冰狀單層水，再加上納米纖維螺旋排列所創(chuàng)造的新“基準面”，使得在低負壓下幾乎無摩擦地進行長距離水運輸成為可能。該發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了現(xiàn)有理論，并為開發(fā)在流體運輸中具有高效率和低能耗特點的仿生纖維泵提供了新思路。

高大樹木中水分的上升一直困擾著科學家們。1894年提出的內聚-張力理論為這一現(xiàn)象提供了解釋。根據這一理論，葉片中的水分蒸發(fā)導致葉片內部相對于大氣壓的壓力降低，從而產生一種吸力，將水分從土壤中通過木質部向上吸引，從而維持了高大樹木中水分的向上運動。盡管這一理論被廣泛接受，但內聚-張力理論仍面臨若干限制。首先，從根部到葉片的水柱持續(xù)上升需要幾個兆帕的負壓梯度。然而，由于水分子之間的內聚力(低張力)較低，水的拉伸強度不足以在這種負壓下維持連續(xù)運動。盡管已經創(chuàng)建了依賴水的拉伸強度進行垂直運輸的合成樹模型，但它們的有效性僅限于5 厘米的高度。現(xiàn)場木質部壓力探頭已經證實，高大樹木木質部內的負壓僅在0.1至0.6兆帕之間。這些結果與木質部導管中存在具有高張力梯度的連續(xù)水柱相矛盾。諸如氣穴、空洞和氣泡的形成進一步使木質部內保持穩(wěn)定和連續(xù)水柱的要求變得更加復雜。在春季，大約10%的木質部導管充滿了氣泡，到夏季，樹干內近50%的水分被空洞所取代。蒸騰作用引起的水勢波動也影響了木質部內水柱的連續(xù)性。

在高大樹木中，水分的上升是一種復雜的現(xiàn)象，受多種因素影響，包括木質部導管復雜的分層結構、木質部導管內的負壓的變化以及水分子與木質部導管壁之間的相互作用。這里提到的復雜性超出了內聚-張力理論的解釋能力。為了準確理解木質部導管內水分的動態(tài)行為，該文獻利用低場核磁設備原位追蹤活樹中的水的運輸過程。

一、實驗樣品以及實驗方法介紹

桉樹幼苗、螺旋狀纖維素納米纖維（CNF）微管、對齊取向的纖維素納米纖維（CNF）微管。

實驗儀器： VTMR20-010V-I NMR 分析儀（蘇州紐邁分析儀器股份有限公司）。

實驗方法：T₁測量(IR序列)，T₂測量(CPMG序列)，T₁-T₂測量，T₂-T₂測量。

圖1：實驗裝置圖片

二、結果討論

2.1水的動力學監(jiān)測

圖2：活桉樹的¹H T2圖譜

圖3：活桉樹的¹H孔徑分布

0.09 ms的超短T2時間歸屬于木質纖維素的質子弛豫。兩個較短的T2時間(2 ms和40 ms)分別歸因于納米級狹縫內的水，它們分別與纖維素的晶體區(qū)和非晶區(qū)相關。長T2時間(600 ms)歸屬于微米級木質部導管內的水。上述結果通過孔徑分布分析進一步得到證實。非晶區(qū)水的T2振幅遠高于其他區(qū)域，表明水主要集中在木質部導管壁內纖維的非晶區(qū)。同時，木質部導管僅含極少量的水，表明這些導管內存在大量的空洞。

圖4：活桉樹的T1-T2圖譜

二維(2D)低場核磁共振圖提供了T1和T2 的組合。T2 時間對應于水的活度，時間越長表明活度越高。T1/T2 比值對應于水的流動性，比值越大表明流動性越差。自旋布居的形狀與水的狀態(tài)密切相關。圓形自旋布居模式表明水在封閉空間中處于平衡狀態(tài)。相比之下，紡錘狀自旋布居模式表明水在開放空間中正在經歷交換過程。當紡錘狀模式平行于對角線時，表明存在完全開放的空間，水可與外部環(huán)境自由交換。當紡錘狀模式與對角線正交時，水被限制在部分封閉的空間中，其運動受到周圍環(huán)境的限制。

如圖 4 所示，(T2 = 0.1，T1 = 24)的自旋布居被分配給活桉樹的木質纖維素中的質子。對角線附近的自旋布居被分配給活桉樹內的水。更具體地說，(1.7，2.3)和(1.9，49.6)的自旋布居被分配給結晶區(qū)域的水，(16.6，42.5)被分配給非晶態(tài)區(qū)域的水，(168.1，391.7)被分配給木質部導管中的水。特別地，結晶區(qū)域中水的自旋布居呈現(xiàn)出兩種不同的形狀，一個平行于對角線的紡錘體和另一個垂直于對角線的紡錘體。

圖5：0和-20℃時水的疊加T1 – T2圖

從遷移率的角度來看，當T1/T2 = 10時(圖 5)，固體和液體之間的分界線出現(xiàn)。結晶區(qū)域中垂直于對角線的自旋布居的T1/T2比值為26。這表明一些水被困在螺旋纖維結晶區(qū)域的半無序表面。這種嵌入半無序表面的固態(tài)水表現(xiàn)出類似于冰的特性。

圖6：0和-20℃時水的疊加 T1 – T2 圖

活桉樹、死桉樹、纖維素納米纖維(CNFs)和纖維素納米晶體(CNCs)中晶態(tài)和非晶態(tài)區(qū)域內水的摩擦阻力比較

T1/T2比值量化了水分子通過多尺度狹縫的摩擦阻力。結晶區(qū)域內水的T1/T2比值僅為1.3，接近理想的無摩擦狀態(tài)（T1/T2 = 1）(圖 6)。結晶區(qū)域的狹窄通道被一層類似冰的自潤滑層所覆蓋，這使得水能夠以近乎無摩擦的超流體狀態(tài)流經這些區(qū)域。這種類似冰的自潤滑層是僅在活樹中觀察到的獨特特征。在樹木死亡或與樹木分離時，這些區(qū)域內水分子的摩擦阻力顯著增加，在死亡的桉樹、提取的CNFs和CNCs中分別達到41.5、35.1和66.8。這種增加主要是由于類似冰的自潤滑層的缺失。

圖7：T2-T2圖譜

T2-T2圖譜是用于研究不透明材料內水傳輸過程的非侵入性技術，圖7顯示了三個 T2 值遞減的對角峰(標記為A,B,C)，其分配如下：峰A對應于木質部導管內的水，峰B代表非晶體區(qū)域內的水，峰C表示結晶區(qū)域內的水。AB 交叉峰表明水從木質部導管向導管壁的非晶體區(qū)域單向擴散（A→B）。同樣，AC 交叉峰表明水從木質部導管向導管壁內的結晶區(qū)域單向擴散（A→C）。木質部導管壁中結晶區(qū)和非晶體區(qū)域之間的水交換由 BC 和 CB 交叉峰表示（B?C）。峰強度表明，由于螺旋文丘里分子泵產生的徑向負壓梯度，水從木質部導管向導管壁內結晶區(qū)域的單向擴散占主導地位。

2.2螺旋結構的作用

圖8：對齊取向的纖維素納米纖維（CNF）微管、螺旋狀纖維素納米纖維（CNF）微管的T1-T2圖譜

對齊取向的 CNF 微管中水的T1-T2譜圖顯示出垂直于對角線的紡錘形圖案，表明水分子在向上運動過程中受到顯著斥力（圖 8）。相比之下，螺旋狀CNF微管中顯示出與對角線平行的紡錘形圖案，表明水分子向上運動順暢。結果表明，當 CNF在微管內呈螺旋排列時，水所受張力小于垂直排列時的情況。此外，水在螺旋納米纖維之間的縫隙中水平積聚，形成了一個新的“基準面”，抵消了作用在水上的部分重力，從而降低了水分上升過程中的能量消耗。

2.3螺旋文丘里分子泵的適應性

木質部導管壁中的螺旋文丘里泵具有很強的自適應性。螺旋納米纖維通過調整傾斜角度來適應由晝夜節(jié)律和四季節(jié)律引起的水勢變化。當木質部導管內充滿大量空腔時，導管壁上會吸附一層水膜，并通過水膜對導管底部進行液封閉。當水勢再次上漲時，這層水膜可以引導水分重新將導管填滿。

三、總結

該篇文獻利用低場核磁技術探究了桉樹中水分傳輸的機制，提出了全新的看法。木質部導管的分層壁是水分上升的主要通道，而木質部導管的作用更像是臨時的蓄水池。木質部導管壁內構建了螺旋狀的文丘里分子泵結構，能有效地從木質部導管的蓄水池中抽取水分。螺旋狀的納米纖維具有類似冰的自潤滑層，大大減少了摩擦，確保了水分運輸的順暢。此外，螺旋狀的文丘里分子泵能夠適應不斷變化的水分供應，確保樹木內的水流持續(xù)不斷。這些發(fā)現(xiàn)不僅在植物生理學方面具有更廣泛的意義，而且在仿生學、現(xiàn)代建筑工程中也具有潛在的應用價值。總之，這項研究有助于更深入地理解高大樹木中復雜的水分運輸過程。它為大自然巧妙的設計提供了新的視角，推動了流體動力學和生物工程方面的研究和進步。

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VTMR20-010V-I NMR分析儀（蘇州紐邁分析儀器股份有限公司）

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參考文獻

[1] Yanjun Liu, Jialin Zhang and Peiyi Wu.Near-Frictionless Long-Distance Water Transport in Trees Enabled by Hierarchically Helical Molecular Pumps.CCS Chemistry, 2024,0,1–9