Wie Treesearch mit der Synchrotronwissenschaft die Geheimnisse von Waldmaterialien erforscht – Physics World

Zusammenarbeit im großen Maßstab bietet die Möglichkeit Sinn und Zweck für Baumsuche, eine ehrgeizige schwedische F&E-Initiative, die interdisziplinäre Aktivitäten vereint Kohorte von Wissenschaftlern und Ingenieuren aus Wissenschaft, Industrie und Regierungsbehörden innerhalb einer offenen Forschungsplattform mit Schwerpunkt auf der „zukünftigen Bioökonomie“. Wenn Sie ein wenig hineinzoomen, wird deutlich, dass sich diese übergreifende Mission in einem weitreichenden Auftrag widerspiegelt, der grundlegende Wissenschaft, technologische Innovation und Kompetenzaufbau umfasst, um eine neue Generation fortschrittlicher Materialien aus dem Wald zu realisieren.

Insgesamt sind im Treesearch-Konsortium mehr als 510 Forscher (und 190 Projekte) vertreten, wobei die Arbeit grob in vier Themenbereiche unterteilt ist: Holz und Holzkomponenten (Struktur und Modifikation); Bioraffinerie für Materialien und chemische Systeme; Herstellung von Materialsystemen; und fortschrittliche Materialkonzepte (Design und Funktionalität). „Eine der Hauptprioritäten von Treesearch besteht darin, unseren akademischen und industriellen Interessengruppen den Zugang zu fortschrittlichen Forschungsinfrastrukturen in ganz Schweden zu erleichtern“, erklärte Daniel Söderberg, Treesearch-Direktor und Leiter des Abteilung für Faser- und Polymertechnologie an der Königlichen Technischen Hochschule (KTH), Stockholm.

„Ebenso wichtig“, sagte er den Delegierten dieses Sommers Treesearch Insight-Konferenz in Lund „öffnet die Tür zu der speziellen technischen Unterstützung, die erforderlich ist, um solch hochmoderne experimentelle Infrastrukturen optimal zu nutzen“. Die betreffenden Einrichtungen reichen von der Nationales Zentrum für hochauflösende Elektronenmikroskopie (nCHERM) an der Universität Lund (im Südwesten Schwedens). Ecke) zum Labor für Röntgenmikrotomographie an der Technischen Universität Luleå (1500 km entfernt im Nordosten des Landes) sowie ein umfangreiches Netzwerk spezialisierter Forschungszentren dazwischen – darunter das Wallenberg Wood Science Center und für Forschungsinstitute von Schweden (ERHEBEN).    

Einblicke in das Synchrotron

Ein Flaggschiff-Treesearch-Partner in dieser Hinsicht ist der Synchrotronstrahlungsanlage MAX IV in Lund. MAX IV ist weltweit bedeutsam und gehört zu einer Elitegruppe großer Röntgenquellen, die die Struktur und das Verhalten von Materie auf atomarer und molekularer Ebene in einer Reihe grundlegender und angewandter Disziplinen beleuchten – von sauberen Energietechnologien bis hin zu Pharma und Gesundheitswesen, von Strukturbiologie bis hin zu Quantenwissenschaften und kulturellem Erbe.

Als Kernbausteine ​​​​besteht diese 2016 eingeweihte Lichtquelle der vierten Generation aus einem linearen Elektronenbeschleuniger sowie Elektronenspeicherringen mit 1.5 und 3 GeV (wobei die beiden Ringe für die Erzeugung weicher bzw. harter Röntgenstrahlung optimiert sind). Der Linac liefert den Strahl nicht nur an eine Kurzpulsanlage, sondern dient auch als Vollenergieinjektor für die beiden Speicherringe, die wiederum Röntgenphotonen erzeugen, die für Benutzerexperimente über 16 spezielle Strahllinien extrahiert werden.

Die neueste Ergänzung zu MAX IV, die ForMAX-Beamline, wurde im November 2022 für Nutzerexperimente eröffnet und widmet sich der Forschung an nachhaltigen Holzwerkstoffen aus dem Wald (wird aber auch Röntgenstudien an anderen komplexen Materialien wie Lebensmitteln, Textilien und Knochen unterstützen). Die Zusammenarbeit steht erneut im Vordergrund, da die Baukosten von ForMAX in Höhe von 100 Millionen SEK (7.5 Millionen £) von der finanziert werden Knut und Alice Wallenberg-Stiftung (eine schwedische philanthropische Organisation, die wissenschaftliche Forschung unterstützt), während das Betriebsbudget von 80 Millionen SEK über einen Zeitraum von 10 Jahren von kommerziellen Partnern (hauptsächlich Unternehmen der Zellstoff- und Papierindustrie) gedeckt wird. Die ForMAX-Strahlzeit wird entsprechend zugewiesen, wobei 50 % der Experimente von Treesearch-Mitgliedern durchgeführt werden und der Rest über offene Ausschreibungen an die breitere Forschungsgemeinschaft angeboten wird.

„Durch ForMAX verfügen Treesearch-Wissenschafts- und Industriepartner über einen dedizierten Zugangspunkt zur MAX IV-Forschungsumgebung“, erklärte Söderberg. „Damit untermauert die Strahllinie eine breite, einzigartige Kompetenz in der Synchrotronwissenschaft und wird im Laufe der Zeit die Entwicklung nachhaltiger Produkte auf Holzbasis ermöglichen, um die heutigen Kunststoffprodukte zu ersetzen.“

In den Wald

Die Strahlzeit von ForMAX wird größtenteils grundlegende und angewandte Studien zu Holzwerkstoffen unterstützen und bereitstellen in-situ Strukturcharakterisierung von Längenskalen im Nanometer- bis Millimeterbereich durch die Kombination von mikrotomographischer Vollfeld-Röntgenbildgebung, Klein- und Weitwinkel-Röntgenstreuung (SWAXS) und scannender SWAXS-Bildgebung in einem einzigen Instrument. Zum Vergleich: Das ForMAX-Mikrotomographiesystem verwendet einfallende Röntgenstrahlen, um planare Querschnitte einer Probe zu erzeugen, die zur Wiederherstellung eines virtuellen 3D-Modells (in Längenskalen von 1 mm bis hinunter zu 1 Mikrometer) verwendet werden können. Der SWAXS-Aufbau hingegen basiert auf zwei diskreten Detektoren, um Röntgenspektren zu sammeln, die von einer Probe in verschiedenen Winkeln gestreut werden: WAXS liefert Strukturinformationen bis zur 1-nm-Skala, während SAXS für Untersuchungen weicher Materie – beispielsweise von Polymer-, Kolloid- und biologischen Anordnungen – mit einer Größe von bis zu mehreren hundert nm verwendet wird.   

Diese Vielseitigkeit wird es Forschern ermöglichen, die Strukturhierarchie und die Zusammensetzung von Holz zu untersuchen – vom Fasernetzwerk und der Zellstruktur auf makroskopischer Ebene über geordnete Anordnungen der Fibrillenmatrixstruktur und Zellwände auf nanoskopischer Ebene bis hin zur Cellulose, die auf makromolekularer Ebene die (teilweise) kristallinen Bausteine ​​bildet. „ForMAX wird unser Verständnis der komplexen Struktur-Funktions-Beziehung in forstbasierten Materialien und Nahrungsmittelprodukten über mehrere Längenskalen hinweg verbessern“, sagte Kim Nygård, ForMAX-Beamline-Manager, gegenüber Treesearch Insight.

ForMAX ist ein flexibles Instrument, das die Untersuchung von Materialien ermöglicht in situ während der Verarbeitung und unter realistischen Bedingungen

Kim Nygård, ForMAX-Beamline-Managerin

Ein bemerkenswertes Merkmal von ForMAX ist die multimodale Bildgebungsfähigkeit der Strahllinie, bei der Vollfeld-Mikrotomographie und SWAXS nacheinander im selben Experiment kombiniert werden. „Der schnelle und effiziente Wechsel zwischen den Setups ermöglicht die Erfassung von Bildgebungs- und Streudaten an derselben Probe“, bemerkte Nygård. Mit anderen Worten: Vollfeld-Mikrotomographie, um dem Benutzer einen Überblick über die 3D-Struktur und die interessierenden Regionen zu geben, wobei lokalisierte SWAXS dann verwendet werden, um Struktur und Orientierung auf nanoskopischer Ebene zu untersuchen (siehe auch „Vielseitig durch Design: die ForMAX-Experimentierstation“ weiter unten).

„ForMAX ist ein flexibles wissenschaftliches Instrument, das auch die zeitliche Auflösung zum Studium von Materialien bietet in situ während der Verarbeitung und unter realistischen Bedingungen wie angewendeter Temperatur oder Druck“, fügte Nygård hinzu. Ein einzigartiges Merkmal ist die RheoSWAXS-Fähigkeit der Strahllinie, die ein hochmodernes Rheometer (geliefert von) integriert Anton Paar, ein österreichisches Metrologieunternehmen) mit Polarisationslicht-Bildgebung und SWAXS, um die Orientierungsdynamik von Holzproben über eine Reihe von Längenskalen und unter stabilen und oszillierenden Scherbedingungen zu untersuchen. Da scherausgerichtete Cellulose-Nanokristalle eine Strukturfarbe aufweisen, könnten solche Studien beispielsweise den Weg für die Verwendung bedruckter Cellulosesuspensionen anstelle herkömmlicher Tinten in zukünftigen biobasierten Verpackungen ebnen.   

Machen Sie sich bereit zu glänzen

Obwohl ForMAX erst seit etwas mehr als sechs Monaten in Betrieb ist, zeigen die ersten Partner von Treesearch bereits mit ihren ersten experimentellen Läufen den Weg. Ein typisches Beispiel ist eine Zusammenarbeit zwischen Industrie und Wissenschaft im Bereich faserbasierter nachhaltiger Lebensmittelverpackungen, an der der schwedische Verpackungsgigant beteiligt ist Tetra-Pak und Forscher bei Chalmers University of Technology in Göteborg.

Mithilfe der SWAXS-Bildgebungstechniken von ForMAX erklärten Linnéa Björn von Chalmers und Eskil Andreasson von Tetra Pak den Teilnehmern von Treesearch Insight, wie das gemeinsame Team – in enger Zusammenarbeit mit ForMAX-Wissenschaftlern – die Nanostruktur von faserbasierten Materialien untersucht, um die Zusammensetzung und die Volumenfertigung von Papierstrohhalmen zu optimieren.

Auch wenn dies wie ein enger Fokus erscheint, ist die umfassendere kommerzielle Notwendigkeit klar: Während die Marktnachfrage nach nachhaltigeren Alternativen zu Kunststoffverpackungen wächst, müssen Hersteller wie Tetra Pak sicherstellen, dass papierbasierte Materialien lebensmittelecht, recycelbar und beständig gegen Flüssigkeiten und Feuchtigkeit bleiben. Vereinfacht ausgedrückt besteht die Aufgabe des Chalmers-Tetra-Pak-Teams darin, den Zusammenhang zwischen der Benetzung des Papierstrohhalms mit verschiedenen Flüssigkeiten (z. B. Wasser und Orangensaft) sowie den Einfluss von Prozessbehandlungen auf die nanoskalige Struktur zu verstehen.

„Unser erstes Experiment bei ForMAX lieferte eine Analyse darüber, wie Papierstrohmaterial in Echtzeit auf Veränderungen in der Umgebung reagiert und wie der Strohhalm unter strengen Bedingungen mit verschiedenen Arten von Flüssigkeiten interagiert“, erklärte Andreasson, Technologiespezialist für virtuelle Modellierung bei Tetra Pak. „Diese Erkenntnisse werden genutzt, um in unseren Computermodellierungstools die Papierstrohhalme der Zukunft zu entwickeln und uns dabei zu helfen, ihre Funktionalität zu verbessern.“ Weitere Tetra Pak-Kooperationen sind bei ForMAX bereits in Arbeit, darunter der Einsatz von Echtzeit-4D-Röntgenmikrotomographie zur Untersuchung von Wassertransportmechanismen in nachhaltigen Papierstrohhalmen.

Wir können die Synchrotron-Technologie nutzen, um unsere Herstellungsprozesse zu optimieren oder das grundlegende Verständnis zu verbessern unserer Produkte und ihre Leistung

Christophe Barbier, leitender Forschungsmanager, Billerud

Die Anwendung von Synchrotron-Röntgenstrahlen in der Produktentwicklung wurde von Christophe Barbier, einem leitenden Forschungsmanager für Papierphysik bei Billerud, dem schwedischen Zellstoff- und Papierhersteller, der sich auch auf faserbasierte Verpackungsmaterialien für Lebensmittel, Getränke und medizinische Anwendungen spezialisiert hat, verstärkt. „Wir können die Synchrotron-Technologie auf verschiedene Arten nutzen“, erklärte er bei Treesearch Insight. „Um beispielsweise unsere Herstellungsprozesse zu optimieren oder das grundlegende Verständnis unserer Produkte und ihrer physikalischen Leistung zu verbessern sowie die Produktüberlegenheit und Wettbewerbsdifferenzierung voranzutreiben.“

Barbier und seine Kollegen sind seit langem Anhänger der „großen Wissenschaft“ und haben die Vorteile von Synchrotronlichtquellen aus nächster Nähe kennengelernt. Zuvor hatte das Team Strahlzeit unter gebucht DESYs PETRA III-Anlage in Hamburg, Deutschland, um die Grundlagen des mechanosorptiven Kriechens zu untersuchen (ein Effekt, der beispielsweise dazu führen kann, dass sich gestapelte Kartons mit Frischwaren aufgrund der Zugbelastung unerwartet verbiegen, wenn die Umgebungstemperatur oder Luftfeuchtigkeit im Lager bestimmte Grenzwerte überschreitet).

„Wir wollten nachweisen, dass synchrotronbasierte Röntgenstreutechniken die Auswirkungen des mechanosorptiven Kriechens auf die Ultrastruktur von Zellstofffasern erkennen können“, bemerkte Barbier. „Die Ergebnisse sind ausreichend ermutigend, um eine weitere Untersuchung des Phänomens durch SWAXS zu rechtfertigen und wir hoffen, schließlich geeignete Gegenmaßnahmen entwickeln zu können.“

Da es sich um Nähe handelt, bereitet sich Billerud auch auf weitere Studien an der ForMAX-Strahllinie von MAX IV vor. Aktuelle Forschungsschwerpunkte, in Zusammenarbeit mit der 4D-Bildgebungslabor an der Universität Lund umfassen den Einsatz von Röntgenmikrotomographie zur Charakterisierung „mehrlagiger“ Verpackungen (bestehend aus Mehrschicht- oder Verbundmaterialien) und zur Korrelation ihrer Mikroeigenschaften mit der Massenleistung unter Last in Formmaschinen.

„Treesearch ist unser Türöffner zu großen Forschungseinrichtungen wie MAX IV“, schloss Barbier. „Solche Einrichtungen haben ein enormes Potenzial, Wissenslücken in vielen Bereichen im Zusammenhang mit Waldmaterialien und nachhaltigen Produkten zu schließen.“

Für weitere Informationen können Leser online auf die Posterzusammenfassungen von Treesearch Insight zugreifen, einschließlich Forschungsstudien zu biobasierte intelligente Materialien für die Wasseraufbereitung; ein tragbares Raspberry Pi-basierter Lichttomographiescanner für pädagogische und wissenschaftliche Zweckeeschriebenen Art und Weise; und Synchrotrontechniken als Werkzeug zur Untersuchung des Holzaufschlussprozesses.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/how-treesearch-is-studying-the-secrets-of-forest-materials-with-synchrotron-science/