Miten Treesearch tutkii metsämateriaalien salaisuuksia synkrotronitieteen avulla – Physics World

Yhteistyö mittakaavassa tarjoaa oikeutuksensa varten Puututkimus, kunnianhimoinen ruotsalainen T&K-aloite, joka kokoaa yhteen poikkitieteellisen joukko tiedemiehiä ja insinöörejä korkeakouluista, teollisuudesta ja valtion virastoista avoimessa tutkimusalustassa, joka keskittyy "tulevaisuuden biotalouteen". Zoomaa hieman, ja on selvää, että tämä laaja-alainen tehtävä muuttuu laaja-alaiseksi tehtäväksi, joka kattaa perustieteen, teknologian innovaatiot ja osaamisen kehittämisen uuden sukupolven edistyneiden materiaalien toteuttamiseksi metsästä.

Yhdessä Treesearch-konsortiossa on edustettuna yli 510 tutkijaa (ja 190 hanketta), ja työ jakautuu laajasti neljälle teema-alueelle: puu ja puukomponentit (rakenne ja modifikaatio); materiaalien ja kemiallisten järjestelmien biojalostamo; materiaalijärjestelmien valmistus; ja edistyneet materiaalikonseptit (suunnittelu ja toiminnallisuus). "Yksi Treesearchin tärkeimmistä tavoitteista on auttaa akateemisia ja teollisuuden sidosryhmiämme pääsemään käsiksi kehittyneisiin tutkimusinfrastruktuureihin kaikkialla Ruotsissa", selittää Daniel Söderberg, Treesearchin johtaja ja johtaja kuitu- ja polymeeriteknologian osasto Tukholman kuninkaallisessa teknologiainstituutissa (KTH).

Yhtä tärkeää, hän sanoi edustajille tänä kesänä Treesearch Insight -konferenssi Lundissa "avaa oven erikoistuneelle tekniselle tuelle, jota tarvitaan tällaisten huippuluokan kokeellisten infrastruktuurien parhaaseen hyödyntämiseen". Kyseiset tilat vaihtelevat Kansallinen korkean resoluution elektronimikroskopian keskus (nCHERM) Lundin yliopistossa (Ruotsin lounaisosassa kulmaan) kohti Röntgenmikrotomografialaboratorio Luulajan teknillisessä yliopistossa (1500 km:n päässä maan koillisosassa) ja niiden välissä laaja erikoistutkimuskeskusten verkosto – mm. Wallenberg Wood Science Center ja Ruotsin tutkimuslaitokset (NOUSA).    

Synkrotroni-näkemyksiä

Treesearchin lippulaivakumppani tässä suhteessa on MAX IV synkrotronisäteilylaitos Lundissa. Maailmanlaajuisesti merkittävä MAX IV on yksi suurten röntgenlähteiden eliittijoukosta, joka valaisee aineen rakennetta ja käyttäytymistä atomi- ja molekyylitasolla useilla perus- ja sovelletuilla tieteenaloilla – puhtaasta energiateknologiasta lääkkeisiin ja terveydenhuoltoon, rakennebiologiasta kvanttitieteeseen ja kulttuuriperintöön.

Ydinrakennuspalikoiden osalta tämä neljännen sukupolven valonlähde – joka otettiin käyttöön vuonna 2016 – koostuu lineaarisesta elektronikiihdyttimestä sekä 1.5 ja 3 GeV:n elektronien varastointirenkaista (joiden kaksi rengasta on optimoitu tuottamaan pehmeää ja kovia röntgensäteitä). Sen lisäksi, että linac toimittaa säteen lyhytpulssiseen laitokseen, se toimii täyden energian injektorina kahdelle varastorenkaalle, jotka puolestaan ​​tuottavat röntgenfotoneja, jotka erotetaan käyttäjien kokeita varten 16 erikoissädelinjan yli.

MAX IV:n uusin lisäys ForMAX-keilalinja, avattiin käyttäjäkokeille marraskuussa 2022 ja on omistettu kestävien puupohjaisten materiaalien tutkimukselle metsästä (vaikka se tukee myös muiden monimutkaisten materiaalien, kuten ruoan, tekstiilien ja luun, röntgentutkimuksia). Yhteistyö on jälleen eturintamassa, ja ForMAXin 100 miljoonan Ruotsin kruunun (7.5 miljoonan punnan) rakennuskustannukset rahoittavat Knut ja Alice Wallenbergin säätiö (ruotsalainen hyväntekeväisyysjärjestö, joka tukee tieteellistä tutkimusta), kun taas 80 miljoonan Ruotsin kruunun toimintabudjetti 10 vuodelta katetaan kaupallisilta yhteistyökumppaneilta (pääasiassa massa- ja paperiteollisuuden yrityksiltä). ForMAX-sädeaika jaetaan vastaavasti: 50 % kokeista tehdään Treesearchin jäsenten toimesta ja loput tarjotaan avoimien hakujen kautta laajemmalle tutkimusyhteisölle.

"ForMAXin kautta Treesearchin tiedemaailmalla ja teollisuuden kumppaneilla on oma yhteyspiste MAX IV -tutkimusympäristöön", Söderberg selitti. "Sellaisenaan sädelinja tukee laajaa, ainutlaatuista synkrotronitieteen osaamista ja mahdollistaa ajan myötä kestävien puupohjaisten tuotteiden kehittämisen korvaamaan nykypäivän muovituotteet."

Metsään

Suurimmaksi osaksi ForMAX-sädeaika tukee puupohjaisten materiaalien perustavanlaatuisia ja soveltavia tutkimuksia in situ rakenteellista karakterisointia nanometristä millimetriin mitta-asteikoista yhdistämällä täyden kentän röntgenmikrotomografinen kuvantaminen, pieni- ja laajakulmaröntgensironta (SWAXS) ja skannaava SWAXS-kuvaus yhdessä instrumentissa. Kontekstia varten ForMAX-mikrotomografiajärjestelmä käyttää sattuvia röntgensäteitä luomaan näytteestä tasomaisia ​​poikkileikkauksia, joita voidaan käyttää virtuaalisen 3D-mallin luomiseen (pituusasteikko 1 mm:stä 1 mikroniin). SWAXS-järjestelmä puolestaan ​​perustuu kahteen erilliseen ilmaisimeen, jotka keräävät näytteestä eri kulmista sironneet röntgenspektrit: WAXS tuottaa rakenteellista tietoa 1 nm:n mittakaavaan asti, ja SAXS:ää käytetään pehmeän aineen tutkimuksiin – esimerkiksi polymeerien, kolloidisten ja biologisten kokoonpanojen kokoon – jopa useiden satojen nm:ien kokoon.   

Tämä monipuolisuus antaa tutkijoille mahdollisuuden tutkia puun rakenteellista hierarkiaa ja komposiittiluonnetta - kuituverkostosta ja solurakenteesta makroskooppisessa mittakaavassa, fibrillimatriisirakenteen ja soluseinien järjestetyistä kokoonpanoista nanoskooppisessa mittakaavassa aina selluloosaan, joka muodostaa (osittain) kiteiset rakennuspalikat makromolekyylitasolla. "ForMAX parantaa ymmärrystämme metsäpohjaisten materiaalien ja elintarvikkeiden monimutkaisesta rakenteen ja toiminnan välisestä suhteesta useiden pituuksien mittakaavassa", ForMAXin sädelinjan johtaja Kim Nygård kertoi Treesearch Insightille.

ForMAX on joustava instrumentti, joka mahdollistaa materiaalien tutkimuksen on-site käsittelyn aikana ja realistisissa olosuhteissa

Kim Nygård, ForMAX beamline manager

ForMAXin merkittävä ominaisuus on beamlinen multimodaalinen kuvantamiskyky, joka yhdistää täyden kentän mikrotomografian ja SWAXS:n peräkkäin samassa kokeessa. "Nopea ja tehokas vaihtaminen asetusten välillä mahdollistaa kuvantamis- ja sirontatietojen keräämisen samasta näytteestä", Nygård huomautti. Toisin sanoen: täyden kentän mikrotomografia, joka antaa käyttäjälle yleiskuvan 3D-rakenteesta ja kiinnostavista alueista, ja paikallistettuja SWAXS-laitteita käytetään sitten rakenteen ja suunnan tutkimiseen nanoskooppisella tasolla (katso myös "Monipuolinen suunnittelu: ForMAX-koeasema" alla).

”ForMAX on joustava tieteellinen instrumentti, joka tarjoaa myös ajallisen tarkkuuden oppimateriaalille on-site käsittelyn aikana ja realistisissa olosuhteissa, kuten lämpötilassa tai paineessa”, Nygård lisäsi. Ainutlaatuinen ominaisuus on beamlinen RheoSWAXS-ominaisuus, joka integroi huippuluokan reometrin (toimittaja Anton Paaritävaltalainen metrologiayritys) polarisoidun valon kuvantamisella ja SWAXS:llä tutkiakseen puupohjaisten näytteiden orientaatiodynamiikkaa eri pituusasteikoilla tasaisissa ja värähtelevissä leikkausolosuhteissa. Koska leikkauskohdistetut selluloosan nanokiteet osoittavat rakenteellista väriä, tällaiset tutkimukset voisivat esimerkiksi tasoittaa tietä painettujen selluloosasuspensioiden käytölle perinteisten musteiden sijaan tulevissa biopohjaisissa pakkauksissa.   

Valmistautuminen loistamaan

Vaikka ForMAX on ollut käytössä vasta hieman yli kuusi kuukautta, Treesearch-kumppanit ovat jo näyttämässä tietä ensimmäisten koeajojensa aikana. Esimerkkinä on teollisuuden ja tiedeyhteisön yhteistyö kuitupohjaisten kestävien elintarvikepakkausten alalla, johon osallistuu ruotsalainen pakkausjätti Tetra Pack ja tutkijat klo Chalmersin teknillinen yliopisto in Göteborg.

Käyttämällä ForMAXin SWAXS-kuvaustekniikoita Linnéa Björn Chalmersista ja Eskil Andreasson Tetra Pakista kertoivat Treesearch Insightin osallistujille, kuinka yhteinen tiimi – tiiviissä yhteistyössä ForMAXin henkilöstön tutkijoiden kanssa – tutkii kuitupohjaisten materiaalien nanorakennetta pyrkiessään optimoimaan paperipillien koostumuksen ja volyymin valmistuksen.

Jos tämä vaikuttaa kapealta painopisteeltä, laajempi kaupallinen vaatimus on selvä: vaikka markkinoilla on kasvava kysyntä kestävämmille vaihtoehdoille muovipakkauksille, valmistajien, kuten Tetra Pakin, on varmistettava, että paperipohjaiset materiaalit pysyvät elintarviketurvallisina, kierrätettävinä ja kestäviä nesteitä ja kosteutta vastaan. Yksinkertaisesti sanottuna Chalmers–Tetra Pak -tiimin tehtävänä on ymmärtää korrelaatio paperipillien eri nesteillä (esim. vesi ja appelsiinimehu) kastumisen välillä sekä prosessikäsittelyjen vaikutus nanomittakaavan rakenteeseen.

"Ensimmäinen ForMAX-kokeilumme tarjosi analyysin siitä, kuinka paperi-olkimateriaali reagoi ympäristön muutoksiin reaaliajassa sekä kuinka oljet ovat vuorovaikutuksessa erityyppisten nesteiden kanssa ankarissa olosuhteissa", selitti Andreasson, Tetra Pakin virtuaalisen mallinnuksen teknologia-asiantuntija. "Näitä oivalluksia hyödynnetään tulevaisuuden paperipillien kehittämisessä tietokonemallinnustyökaluissamme, mikä auttaa meitä parantamaan niiden toimivuutta." Muita Tetra Pak -yhteistyötä on jo valmisteilla ForMAXissa, mukaan lukien käyttö reaaliaikainen 4D-röntgenmikrotomografia, jolla tutkitaan veden kuljetusmekanismeja kestävissä paperipilleissä.

Voimme hyödyntää synkrotroniteknologiaa optimoidaksemme valmistusprosessejamme tai parantaaksemme perusymmärrystämme tuotteistamme ja niiden suorituskykyä

Christophe Barbier, vanhempi tutkimuspäällikkö, Billerud

Synkrotronisäteilyn käyttöä tuotekehityksessä vahvisti Christophe Barbier, paperifysiikan vanhempi tutkimuspäällikkö ruotsalaisesta sellun ja paperin valmistaja Billerudista, joka on erikoistunut myös kuitupohjaisiin pakkausmateriaaleihin elintarvike-, juoma- ja lääketieteellisiin sovelluksiin. "Voimme hyödyntää synkrotroniteknologiaa useilla tavoilla", hän selitti Treesearch Insightissa. "Esimerkiksi optimoidaksemme valmistusprosessejamme tai parantaaksemme perusymmärrystä tuotteistamme ja niiden fyysisestä suorituskyvystä sekä edistääksemme tuotteiden ylivoimaisuutta ja kilpailukykyistä erilaistumista."

Barbier ja hänen kollegansa ovat pitkään kääntyneitä "suureen tieteeseen", jotka ovat nähneet synkrotronivalonlähteiden edut läheltä. Aiemmin joukkue on varannut sädeajan klo DESYn PETRA III -laitos Hampurissa Saksassa tutkiakseen mekaanisen sorptiivisen virumisen perusteita (vaikutus, joka voi nähdä pinotut tuoretuotteiden pahvilaatikot esimerkiksi odottamatta nurjahtaa vetokuormituksen vuoksi, kun varastotilan lämpötila tai kosteus ylittää tietyt rajat).

"Päätimme toteamaan, että synkrotronipohjaiset röntgensirontatekniikat voivat havaita mekaanisesti sorptiivisen virumisen vaikutukset massakuitujen ultrarakenteeseen", Barbier huomautti. "Tulokset ovat riittävän rohkaisevia, jotta ilmiön SWAXS-tutkimukset jatkavat ja toivomme, että voimme lopulta kehittää asianmukaisia ​​vastatoimia."

Koska läheisyys on mitä se on, Billerud valmistautuu myös jatkotutkimuksiin MAX IV:n ForMAX-keilalinjalla. Nykyiset tiedustelulinjat yhteistyössä 4D-kuvantamislaboratorio Lundin yliopistossa, sisältävät röntgenmikrotomografian käytön "monikerroksisten" pakkausten (joissa on monikerroksisia tai komposiittimateriaaleja) karakterisoimiseen ja korreloimaan sen mikromittakaavan ominaisuuksia ja bulkkisuorituskykyä kuormituksen alaisena muotoilukoneissa.

"Treesearch on ovemme suurille tutkimuslaitoksille, kuten MAX IV:lle", Barbier totesi. "Tällaisilla laitoksilla on valtavasti potentiaalia korjata tietämyksen puutteita monilla metsämateriaaleihin ja kestäviin tuotteisiin liittyvillä aloilla."

Lukijat voivat saada lisätietoa Treesearch Insight -julisteiden tiivistelmistä verkossa, mukaan lukien tutkimukset aiheesta biopohjaiset älykkäät materiaalit vedenkäsittelyyn; kannettava Raspberry Pi -pohjainen valotomografia opetukselliseen ja tieteelliseen käyttöön, Ja synkrotronitekniikat työkaluna puunvalmistusprosessin tutkimiseen.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoData.Network Vertical Generatiivinen Ai. Vahvista itseäsi. Pääsy tästä.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• PlatoESG. Autot / sähköautot, hiili, CleanTech, energia, ympäristö, Aurinko, Jätehuolto. Pääsy tästä.
• BlockOffsets. Ympäristövastuun omistuksen nykyaikaistaminen. Pääsy tästä.
• Lähde: https://physicsworld.com/a/how-treesearch-is-studying-the-secrets-of-forest-materials-with-synchrotron-science/