Kuidas Treesearch uurib metsamaterjalide saladusi sünkrotroniteadusega – Physics World

Suuremahuline koostöö tagab raison d'être eest Puude uurimine, ambitsioonikas Rootsi teadus- ja arendustegevuse algatus, mis koondab valdkondadevahelisi Teadlaste ja inseneride kohort akadeemilistest ringkondadest, tööstusest ja valitsusasutustest avatud uurimisplatvormis, mis keskendub "tuleviku biomajandusele". Suumige veidi sisse ja on ilmne, et see kõikehõlmav missioon taandub laiaulatuslikuks ülesandeks, mis hõlmab fundamentaalteadusi, tehnoloogilisi uuendusi ja pädevuste arendamist, et realiseerida metsast uue põlvkonna täiustatud materjale.

Ühiselt on Treesearchi konsortsiumis esindatud enam kui 510 teadlast (ja 190 projekti), kelle töö on laias laastus jagatud nelja temaatilise valdkonna vahel: puit ja puidukomponendid (struktuur ja modifikatsioonid); materjalide ja keemiliste süsteemide biorafineerimistehas; materjalisüsteemide valmistamine; ja täiustatud materjalikontseptsioonid (disain ja funktsionaalsus). "Treesearchi üks peamisi prioriteete on aidata meie akadeemilistel ja tööstusharu sidusrühmadel pääseda juurde kõrgetasemelistele teadusuuringute infrastruktuuridele kogu Rootsis," selgitas Daniel Söderberg, Treesearchi direktor ja juht. kiud- ja polümeertehnoloogia osakond Stockholmi Kuninglikus Tehnoloogiainstituudis (KTH).

Sama oluline, ütles ta sel suvel delegaatidele Treesearch Insighti konverents Lundis "avab ukse spetsialiseeritud tehnilisele toele, mis on vajalik selliste tipptasemel eksperimentaalsete infrastruktuuride parimaks kasutamiseks". Kõnealused rajatised ulatuvad Riiklik kõrglahutusega elektronmikroskoopia keskus (nCHERM) Lundi ülikoolis (Rootsi edelaosas nurk) kuni Röntgeni mikrotomograafia labor Luleå Tehnikaülikoolis (1500 km kaugusel riigi kirdeosas) pluss laialdane spetsialistide uurimiskeskuste võrgustik, sealhulgas Wallenbergi puiduteaduse keskus ja Rootsi uurimisinstituudid (TÕUSA).    

Sünkrotroni ülevaated

Sellega seoses on Treesearchi lipulaev partner MAX IV sünkrotronkiirguse rajatis Lundis. Ülemaailmselt oluline MAX IV on üks suuremahuliste röntgenikiirgusallikate eliitkaadrist, mis heidab valgust aine struktuurile ja käitumisele aatomi- ja molekulaartasandil paljudes fundamentaalsetes ja rakenduslikes distsipliinides – alates puhtast energiatehnoloogiast. farmaatsia ja tervishoiuni, struktuuribioloogiast kvantteaduse ja kultuuripärandini.

Tuumade ehitusplokkide osas koosneb see neljanda põlvkonna valgusallikas, mis avati 2016. aastal, lineaarsest elektronkiirendist ning 1.5 ja 3 GeV elektronide salvestusrõngastest (kaks rõngast on optimeeritud pehme ja kõva röntgenikiirguse tekitamiseks vastavalt). Lisaks kiirte edastamisele lühiimpulssile, toimib linac ka täisenergia pihustina kahele salvestusrõngale, mis omakorda genereerivad röntgenfootoneid, mis ekstraheeritakse kasutajate katseteks 16 spetsialiseeritud valgusvihu kaudu.

MAX IV uusim täiendus, ForMAX valgusvihu2022. aasta novembris avati kasutajakatseteks ja on pühendatud metsast pärit jätkusuutlike puidupõhiste materjalide uurimisele (kuigi see toetab ka muude keerukate materjalide, nagu toit, tekstiil ja luu, röntgenuuringuid). Koostöö on taas ees ja keskel, ForMAXi 100 miljoni Rootsi krooni (7.5 miljoni naela) ehituskulusid rahastab Knuti ja Alice Wallenbergi fond (Rootsi filantroopne organisatsioon, mis toetab teadusuuringuid), samas kui 80 miljoni Rootsi krooni suuruse tegevuseelarve 10 aasta jooksul katavad äripartnerid (peamiselt tselluloosi- ja paberitööstuse ettevõtted). ForMAXi kiirteaega jaotatakse vastavalt, 50% katsetest viivad läbi Treesearchi liikmed ja ülejäänu pakutakse laiemale teadlaskonnale avatud kutsete kaudu.

"ForMAXi kaudu on Treesearchi akadeemilistel ringkondadel ja tööstuspartneritel spetsiaalne pääsupunkt MAX IV uurimiskeskkonnale," selgitas Söderberg. "Sellisena toetab valgusvihk laialdast ainulaadset pädevust sünkrotroniteaduse vallas ning võimaldab aja jooksul välja töötada jätkusuutlikke puidupõhiseid tooteid, mis asendaksid tänapäevaseid plasttooteid."

Metsa

Enamasti toetab ForMAX talaaeg puidupõhiste materjalide alus- ja rakendusuuringuid, pakkudes kohapeal struktuurne iseloomustus nanomeetrist millimeetri pikkuseni, kombineerides ühes instrumendis täisvälja röntgenikiirguse mikrotomograafilist kujutist, väikese ja lainurga röntgenikiirguse hajumist (SWAXS) ja skaneerivat SWAXS-kujutist. Konteksti jaoks kasutab ForMAX-i mikrotomograafiasüsteem juhuslikke röntgenikiirgusid, et luua proovist tasapinnalised ristlõiked, mida saab kasutada virtuaalse 3D-mudeli taasloomiseks (pikkuses 1 mm kuni 1 mikroni). SWAXS-i seadistus seevastu tugineb kahele diskreetsele detektorile, et koguda proovist erinevate nurkade all hajutatud röntgenispektreid: WAXS annab struktuurset teavet kuni 1 nm skaalani, SAXS-i kasutatakse pehmete ainete uuringutes. näiteks polümeeridest, kolloidsetest ja bioloogilistest sõlmedest – kuni mitmesaja nm suurused.   

See mitmekülgsus võimaldab teadlastel uurida puidu struktuurilist hierarhiat ja komposiitset olemust – alates kiudvõrgust ja rakustruktuurist makroskoopilisel skaalal kuni fibrillmaatriksi struktuuri ja rakuseinte järjestatud kooslusteni nanoskoopilisel skaalal kuni tselluloosini, mis moodustab (osaliselt) kristalsed ehitusplokid makromolekulaarsel tasemel. "ForMAX parandab meie arusaamist metsapõhiste materjalide ja toiduainete keerukast struktuuri ja funktsiooni seostest mitme pikkusega skaalal," ütles ForMAXi valgusvihu juht Kim Nygård Treesearch Insightile.

ForMAX on paindlik instrument, mis võimaldab uurida materjale kohapealne töötlemise ajal ja realistlikes tingimustes

Kim Nygård, ForMAXi valgusvihu juht

ForMAXi märkimisväärne omadus on beamline'i multimodaalne pildistamisvõime, mis kombineerib samas katses järjestikku täisvälja mikrotomograafiat ja SWAXS-i. "Kiire ja tõhus seadistuste vahel vahetamine võimaldab koguda kujutise ja hajumise andmeid sama proovi kohta, " märkis Nygård. Teisisõnu: täisvälja mikrotomograafia, et anda kasutajale ülevaade 3D-struktuurist ja huvipakkuvatest piirkondadest, kusjuures lokaliseeritud SWAXS-i kasutatakse seejärel struktuuri ja orientatsiooni uurimiseks nanoskoopilisel tasemel (vt ka "Disainilt mitmekülgne: ForMAXi katsejaam" , allpool).

„ForMAX on paindlik teadusinstrument, mis pakub ka õppematerjalide ajalist eraldusvõimet kohapealne töötlemise ajal ja realistlikes tingimustes, nagu rakendatud temperatuur või rõhk,“ lisas Nygård. Ainulaadne funktsioon on beamline'i RheoSWAXS-i võime, mis integreerib tipptasemel reomeetri (tarnib Anton Paar, Austria metroloogiaettevõte) polariseeritud valguse pildistamise ja SWAXS-iga, et uurida puidupõhiste proovide orientatsioonidünaamikat mitmesugustes pikkusskaalades ning püsivate ja võnkuvate nihketingimuste korral. Kuna nihkega joondatud tselluloosi nanokristallidel on struktuurne värv, võivad sellised uuringud näiteks sillutada teed trükitud tselluloosi suspensioonide kasutamiseks tulevastes biopõhistes pakendites traditsiooniliste trükivärvide asemel.   

Valmistub särama

Kuigi ForMAX on tegutsenud vaid veidi rohkem kui kuus kuud, näitavad varakult kasutusele võtnud Treesearchi partnerid juba oma esimeste katsetega teed. Näide on tööstuse ja akadeemiliste ringkondade koostöö kiupõhiste säästvate toidupakendite alal, mis hõlmab Rootsi pakendihiiglast Tetra härra ja teadlased aadressil Chalmersi Tehnikaülikool in Göteborg.

Linnéa Björn Chalmersist ja Eskil Andreasson Tetra Pakist rääkisid ForMAXi SWAXS-i kujutise tehnikaid kasutades Treesearch Insighti osalejatele, kuidas ühine meeskond uurib tihedat koostööd ForMAXi töötajate teadlastega kiupõhiste materjalide nanostruktuuri, et optimeerida koostist ja mahtu. paberkõrte tootmine.

Kui see näib olevat kitsas, on laiem kaubanduslik vajadus selge: kuigi turul kasvab nõudlus plastpakendite jätkusuutlikumate alternatiivide järele, peavad sellised tootjad nagu Tetra Pak tagama, et paberipõhised materjalid jäävad toidule ohutuks, taaskasutatavaks ja vastupidavaks. vedelikud ja niiskus. Lihtsamalt öeldes on Chalmers-Tetra Paki meeskonna ülesanne mõista korrelatsiooni paberikõrte erinevate vedelikega (näiteks vesi ja apelsinimahl) niisutamise vahel ning protsesside töötluste mõju nanomõõtmelisele struktuurile.

"Meie esimene katse ForMAXis andis analüüsi selle kohta, kuidas paber-kõrrematerjal reageerib reaalajas keskkonnamuutustele ja kuidas põhk suhtleb erinevat tüüpi vedelikega karmides tingimustes," selgitas Andreasson, virtuaalse tehnoloogia spetsialist. modellitööd Tetra Pakis. "Neid teadmisi kasutatakse tuleviku paberiõlgede väljatöötamiseks meie arvuti modelleerimistööriistades, aidates meil parandada nende funktsionaalsust." ForMAXis on juba töös edasine Tetra Pak koostöö, sealhulgas selle kasutamine reaalajas 4D-röntgeni mikrotomograafia, et uurida veetranspordi mehhanisme säästvates paberiõlgedes.

Saame kasutada sünkrotrontehnoloogiat oma tootmisprotsesside optimeerimiseks või põhiteadmiste parandamiseks meie toodetest ja nende jõudlust

Christophe Barbier, Billerudi vanemuuringute juht

Sünkrotronröntgenikiirguse rakendamist tootearenduses tugevdas Christophe Barbier, paberifüüsika vanemteadur Rootsi tselluloosi- ja paberitootja Billerudiga, mis on spetsialiseerunud ka toidu-, joogi- ja meditsiinirakenduste kiupõhistele pakkematerjalidele. "Saame kasutada sünkrotrontehnoloogiat mitmel viisil, " selgitas ta Treesearch Insightis. "Näiteks meie tootmisprotsesside optimeerimiseks või meie toodete ja nende füüsilise jõudluse põhiteadmiste parandamiseks, samuti toodete paremuse suurendamiseks ja konkurentsivõimeliseks diferentseerumiseks."

Barbier ja tema kolleegid on pikka aega pöördunud "suurte teaduste poole", kes on näinud sünkrotronvalgusallikate eeliseid lähedalt. Varem on meeskond broneerinud kiire aja kl DESY PETRA III rajatis Saksamaal Hamburgis, et uurida mehhaanilise sorptiivse roomemise põhialuseid (efekt, mis võib näha näiteks värskete toodete virnastatud pappkastide ootamatut tõmbumist tõmbekoormuse tõttu, kui ümbritseva lao temperatuur või niiskus ületavad teatud piirid).

"Me otsustasime kindlaks teha, et sünkrotronil põhinevad röntgenikiirguse hajumise tehnikad suudavad tuvastada mehhaanilise sorptiivse roomamise mõju tselluloosikiudude ultrastruktuurile," märkis Barbier. "Tulemused on piisavalt julgustavad, et õigustada SWAXS-i nähtuse jätkuvat uurimist ja loodame, et lõpuks töötame välja asjakohased vastumeetmed."

Kuna lähedus on see, mis see on, valmistub Billerud ka edasisteks uuringuteks MAX IV ForMAXi valgusvihus. Praegused päringusuunad koostöös ettevõttega 4D pildistamise labor Lundi ülikoolis hõlmavad röntgenikiirte mikrotomograafia kasutamist mitmekihiliste (mitmekihiliste või komposiitmaterjalide) pakendi iseloomustamiseks ja selle mikroskaala omaduste ja vormimismasinate koormuse all oleva massi jõudluse võrdlemiseks.

"Treesearch on meie ukseavaja suuremahulistele uurimisasutustele nagu MAX IV," lõpetas Barbier. "Sellistel rajatistel on tohutu potentsiaal lahendada teadmiste lünki paljudes metsamaterjalide ja säästvate toodetega seotud valdkondades."

Lisateabe saamiseks pääsevad lugejad veebis juurde Treesearch Insighti plakati kokkuvõtetele, sealhulgas uurimustele biopõhised nutikad materjalid veetöötluseks; kaasaskantav Raspberry Pi-põhine valgustomograafia skanner hariduslikuks ja teaduslikuks kasutamiseksNing sünkrotrontehnikad puidumassi valmistamise protsessi uurimise vahendina.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Autod/elektrisõidukid, Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• BlockOffsets. Keskkonnakompensatsiooni omandi ajakohastamine. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://physicsworld.com/a/how-treesearch-is-studying-the-secrets-of-forest-materials-with-synchrotron-science/