植物生物质，特别是木材，自古以来就被用作结构材料。它还显示出开发新型结构材料的巨大潜力，是新兴生物精炼厂建设可持续社会的主要原料。植物的细胞壁主要是由纤维素、半纤维素和木质素组成的分层基质。

有鉴于此，麻省理工学院的Markus J. Buehler等人，对使用密度泛函理论（DFT）和分子动力学（MD）等计算建模方法研究的纤维素，木质素和木材细胞壁的结构，性质和反应进行了综述。计算模型在理解植物生物质及其纳米材料的结构和性质方面起着至关重要的作用，未来可能在开发新的生物质分级材料方面发挥重要作用。

本文要点

1）由于DFT和MD方法是最常用的方法，因此该综述侧重于它们。DFT和MD方法已用于研究纤维素和木质素的结构，力学性能，与环境的相互作用，反应机理和光谱。DFT已被应用于小分子体系的物理和化学方面，而MD主要应用于纤维素和植物生物质的物理方面。

2）纤维素有不同的类型，即纤维素I、纤维素II、纤维素III、纤维素IV及其亚型，其中纤维素I为天然纤维素。研究最多的是纤维素Iβ，因为它是木材中的主要类型，也是自然界中最常见的类型。半纤维素通过计算模型进行的研究较少，因此未包括在本综述中。

3）木质素是一种芳香族木质素聚合物，是新兴生物精炼和生物质基纳米材料制造的瓶颈。天然木质素的结构逐渐被揭示，而工业用木质素的结构仍不清楚。全面了解植物细胞壁的层次结构、性质、化学成分及其转化，包括纤维素和木质素，对开发可再生纳米材料、燃料和化学品至关重要。多尺度建模在这些方面显示出了巨大的价值。

参考文献：

Shengfei Zhou et al. Understanding Plant Biomass via Computational Modeling. Advanced Materials, 2020.

DOI: 10.1002/adma.202003206

https://doi.org/10.1002/adma.202003206