Hvordan Treesearch studerer hemmelighederne bag skovmaterialer med synkrotronvidenskab – Physics World

Samarbejde i stor skala giver eksistensberettigelse forum Træsøgning, et ambitiøst svensk F&U-initiativ, der samler en tværfaglig kohorte af forskere og ingeniører fra den akademiske verden, industrien og offentlige myndigheder inden for en åben forskningsplatform med fokus på "fremtidens bioøkonomi". Zoom lidt ind, og det er tydeligt, at denne overordnede mission udmønter sig i en bred vifte, der spænder over grundlæggende videnskab, teknologisk innovation og kompetenceopbygning for at realisere en ny generation af avancerede materialer fra skoven.

Tilsammen er der mere end 510 forskere (og 190 projekter) repræsenteret i Treesearch-konsortiet, med arbejdet bredt udskåret på fire tematiske områder: træ og trækomponenter (struktur og modifikation); bioraffinaderi til materialer og kemiske systemer; fremstilling af materialesystemer; og avancerede materialekoncepter (design og funktionalitet). "En af Treesearchs kerneprioriteter er at hjælpe vores akademiske og industrielle interessenter med at få adgang til avanceret forskningsinfrastruktur i hele Sverige," forklarede Daniel Söderberg, Treesearch-direktør og leder af afdeling for fiber- og polymerteknologi ved Kungliga Tekniska Högskolan (KTH), Stockholm.

Lige så vigtigt sagde han til de delegerede ved denne sommers Treesearch Insight-konference i Lund, "åbner døren til den specialiserede tekniske support, der er nødvendig for at udnytte sådanne banebrydende eksperimentelle infrastrukturer bedst muligt". De pågældende faciliteter spænder fra Nationalt Center for højopløsningselektronmikroskopi (nCHERM) ved Lunds Universitet (i det sydvestlige Sverige hjørne) til Røntgen mikrotomografi laboratorium ved Luleå Tekniske Universitet (1500 km væk i landets nordøst) plus et omfattende netværk af specialiserede forskningsknudepunkter i mellem – bl.a. Wallenberg Wood Science Center og Forskningsinstitutter i Sverige (REG).    

Synkrotron indsigt

Et flagskib Treesearch-partner i denne henseende er MAX IV synkrotronstrålingsfacilitet i Lund. Globalt betydningsfuld er MAX IV en af ​​en elitekadre af røntgenkilder i stor skala, der kaster lys over stofs struktur og adfærd på atom- og molekylært niveau på tværs af en række fundamentale og anvendte discipliner – fra ren-energi-teknologier til farma- og sundhedspleje, fra strukturel biologi til kvantevidenskab og kulturarv.

Med hensyn til kernebyggesten består denne fjerde generations lyskilde – som blev indviet i 2016 – af en lineær elektronaccelerator plus 1.5 og 3 GeV elektronlagringsringe (med de to ringe optimeret til produktion af henholdsvis bløde og hårde røntgenstråler). Ud over at levere stråle til en kort-puls facilitet, fungerer linacen som en fuld-energi injektor til de to lagerringe, som igen genererer røntgenfotoner, der udvindes til brugereksperimenter på tværs af 16 specialist beamlines.

Den seneste tilføjelse til MAX IV, den ForMAX strålelinje, åbnet for brugereksperimenter i november 2022 og er dedikeret til forskning i bæredygtige træbaserede materialer fra skoven (selvom det også vil understøtte røntgenundersøgelser af andre komplekse materialer såsom mad, tekstiler og knogler). Samarbejdet er igen i centrum, med de 100 millioner SEK (7.5 millioner pund) byggeomkostningerne til ForMAX finansieret af Knut og Alice Wallenbergs Fond (en svensk filantropisk organisation, der støtter videnskabelig forskning), mens driftsbudgettet på 80 millioner SEK over 10 år dækkes af kommercielle partnere (hovedsageligt virksomheder i papirmasse- og papirindustrien). ForMAX beamtime allokeres i overensstemmelse hermed, hvor 50% af eksperimenterne skal udføres af Treesearch-medlemmer, og resten tilbydes via åbne opkald til det bredere forskningssamfund.

"Gennem ForMAX har Treesearch-akademiet og industripartnere et dedikeret adgangspunkt til MAX IV-forskningsmiljøet," forklarede Söderberg. "Som sådan understøtter beamline en bred, unik kompetence inden for synkrotronvidenskab og vil over tid muliggøre udvikling af bæredygtige træbaserede produkter til at erstatte nutidens plastprodukter."

Ind i skoven

For det meste vil ForMAX stråletid understøtte grundlæggende og anvendte undersøgelser af træbaserede materialer, hvilket giver in situ strukturel karakterisering fra nanometer til millimeter længde skalaer ved at kombinere fuldfelt røntgen mikrotomografisk billeddannelse, lille- og vidvinkel røntgenspredning (SWAXS) og scanning af SWAXS billeddannelse i et enkelt instrument. Til kontekst bruger ForMAX mikrotomografisystemet indfaldende røntgenstråler til at generere plane tværsnit af en prøve, der kan bruges til at genskabe en virtuel 3D-model (på længdeskalaer fra 1 mm ned til 1 mikron). SWAXS-opsætningen er på den anden side afhængig af to diskrete detektorer til at indsamle røntgenspektre spredt fra en prøve i forskellige vinkler: WAXS, der giver strukturel information ned til 1 nm-skalaen, med SAXS brugt til blødstof-undersøgelser - af polymer, kolloide og biologiske samlinger - f.eks. op til flere hundrede konstruktioner.   

Den alsidighed vil sætte forskerne i stand til at undersøge træets strukturelle hierarki og sammensatte natur – fra fibernetværket og cellestrukturen i makroskopisk skala, gennem ordnede samlinger af fibrilmatrixstrukturen og cellevægge i nanoskopisk skala, helt ned til cellulosen, som danner de (delvist) krystallinske byggesten på makromolekylært niveau. "ForMAX vil forbedre vores forståelse af det komplekse struktur-funktion forhold i skovbaserede materialer og fødevarer på tværs af flere længdeskalaer," fortalte Kim Nygård, ForMAX beamline manager, til Treesearch Insight.

ForMAX er et fleksibelt instrument, der gør det muligt at studere materialer on-site under forarbejdning og under realistiske forhold

Kim Nygård, ForMAX beamline manager

Et bemærkelsesværdigt træk ved ForMAX er beamline's multimodale billeddannelsesevne, der kombinerer fuldfelts mikrotomografi og SWAXS sekventielt i det samme eksperiment. "Hurtigt og effektivt skift mellem opsætninger muliggør indsamling af billeddannelse og spredning af data på samme prøve," bemærkede Nygård. Med andre ord: mikrotomografi i fuld felt for at give brugeren et overblik over 3D-struktur og områder af interesse, med lokaliserede SWAXS derefter brugt til at undersøge struktur og orientering på det nanoskopiske niveau (se også "Alsidig ved design: ForMAX-forsøgsstationen", nedenfor).

"ForMAX er et fleksibelt videnskabeligt instrument, der også giver den tidsmæssige opløsning til studiematerialer on-site under forarbejdning og under realistiske forhold såsom påført temperatur eller tryk,” tilføjede Nygård. En unik egenskab er strålelinjens RheoSWAXS-kapacitet, der integrerer et avanceret rheometer (leveret af Anton Paar, et østrigsk metrologifirma) med polariseret lysbilleddannelse og SWAXS for at studere orienteringsdynamikken for træbaserede prøver på tværs af en række længdeskalaer og under stabile og oscillerende forskydningsforhold. Da forskydningsjusterede cellulosenanokrystaller udviser strukturel farve, kan sådanne undersøgelser for eksempel bane vejen for brugen af ​​trykte cellulosesuspensioner i stedet for traditionelle blæk i fremtidig biobaseret emballage.   

Gør klar til at skinne

Selvom ForMAX kun har været oppe at køre i lidt mere end seks måneder, viser tidligt adopterede Treesearch-partnere allerede vejen med deres indledende eksperimentelle kørsler. Et eksempel på dette er et industri-akademisk samarbejde om fiberbaseret bæredygtig fødevareemballage, der involverer svensk emballagegigant Tetra Pak og forskere på Chalmers University of Technology in Gøteborg.

Ved at bruge ForMAXs SWAXS-billedteknikker fortalte Linnéa Björn fra Chalmers og Eskil Andreasson fra Tetra Pak deltagere i Treesearch Insight, hvordan det fælles team – der arbejder tæt sammen med ForMAX-medarbejdere – studerer nanostrukturen af ​​fiberbaserede materialer i et forsøg på at optimere sammensætningen og volumenfremstillingen af ​​papirstrå.

Hvis det virker som et snævert fokus, er det bredere kommercielle imperativ klart: Mens der er stigende markedsefterspørgsel efter mere bæredygtige alternativer til plastemballage, skal producenter som Tetra Pak sikre, at papirbaserede materialer forbliver fødevaresikre, genanvendelige og holdbare mod væsker og fugt. Forenklet sagt er opgaven for Chalmers-Tetra Pak-teamet at forstå sammenhængen mellem befugtning af papirhalmen med forskellige væsker (vand og appelsinjuice, for eksempel) samt indvirkningen af ​​procesbehandlinger på strukturen på nanoskalaen.

"Vores første eksperiment hos ForMAX gav analyse af, hvordan papir-stråmateriale reagerer på ændringer i miljøet i realtid, samt hvordan halmen interagerer med forskellige typer væsker under stringente forhold," forklarede Andreasson, en teknologispecialist i virtuel modellering hos Tetra Pak. "Denne indsigt vil blive anvendt til at udvikle fremtidens papirsugerrør i vores computermodelleringsværktøjer, der hjælper os med at forbedre deres funktionalitet." Yderligere Tetra Pak-samarbejder er allerede i gang hos ForMAX, herunder brugen af 4D røntgenmikrotomografi i realtid for at studere vandtransportmekanismer i bæredygtige papirsugerør.

Vi kan udnytte synkrotronteknologi til at optimere vores fremstillingsprocesser eller forbedre den grundlæggende forståelse af vores produkter og deres præstationer

Christophe Barbier, senior forskningschef, Billerud

Anvendelsen af ​​synkrotron røntgenstråler i produktudvikling blev forstærket af Christophe Barbier, en senior forskningschef i papirfysik hos Billerud, den svenske papirmasse- og papirproducent, som også har specialiseret sig i fiberbaserede emballagematerialer til fødevarer, drikkevarer og medicinske applikationer. "Vi kan udnytte synkrotronteknologi på flere måder," forklarede han hos Treesearch Insight. "For at optimere vores fremstillingsprocesser, for eksempel, eller forbedre den grundlæggende forståelse af vores produkter og deres fysiske ydeevne, samt at drive produktets overlegenhed og konkurrencedygtig differentiering."

Barbier og hans kolleger er i lang tid konverteret til "stor videnskab", som har set fordelene ved synkrotronlyskilder på tæt hold. Tidligere har holdet booket stråletid kl DESYs PETRA III-anlæg i Hamborg, Tyskland, for at studere det grundlæggende i mekanisk-sorptiv krybning (en effekt, der kan se stablede papkasser med friske råvarer, for eksempel, uventet spænde på grund af trækbelastning, når den omgivende lagertemperatur eller -fugtighed overstiger visse grænser).

"Vi satte os for at fastslå, at synkrotron-baserede røntgenspredningsteknikker kan detektere virkningerne af mekano-sorptiv krybning på ultrastrukturen af ​​pulpfibre," bemærkede Barbier. "Resultaterne er tilstrækkeligt opmuntrende til at berettige fortsatte SWAXS-undersøgelser af fænomenet og, vi håber, til sidst at udvikle passende modforanstaltninger."

Når nærhed er, hvad det er, er Billerud også klar til yderligere studier på MAX IV's ForMAX beamline. Aktuelle forespørgselslinjer i samarbejde med 4D billedbehandlingslaboratorium ved Lunds Universitet, omfatter brugen af ​​røntgenmikrotomografi til at karakterisere "flerlags"-emballage (bestående af flerlags- eller kompositmaterialer) og korrelere dens mikroskalaegenskaber versus bulk-ydeevne under belastning i formningsmaskiner.

"Treesearch er vores døråbner til store forskningsfaciliteter som MAX IV," konkluderede Barbier. "Der er et enormt potentiale for sådanne faciliteter til at afhjælpe videnshuller på mange områder i forbindelse med skovmaterialer og bæredygtige produkter."

For yderligere information kan læsere få adgang til Treesearch Insight-plakatabstrakterne online, herunder forskningsundersøgelser om biobaserede smarte materialer til vandbehandling; en bærbar Raspberry Pi-baseret let tomografiscanner til uddannelsesmæssig og videnskabelig brugOg synkrotronteknikker som et værktøj til at undersøge træmasseprocessen.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk dig selv. Adgang her.
• PlatoAiStream. Web3 intelligens. Viden forstærket. Adgang her.
• PlatoESG. Automotive/elbiler, Kulstof, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Affaldshåndtering. Adgang her.
• BlockOffsets. Modernisering af miljømæssig offset-ejerskab. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/how-treesearch-is-studying-the-secrets-of-forest-materials-with-synchrotron-science/