Hogyan tanulmányozza a Treesearch az erdei anyagok titkait a szinkrotrontudomány segítségével – Fizika világa

Az együttműködés nagymértékben biztosítja a létjogosultság mert Fakeresés, egy ambiciózus svéd K+F kezdeményezés, amely több tudományágat fog össze akadémiai, ipari és kormányzati ügynökségek tudósaiból és mérnökeiből álló csoport egy nyílt kutatási platformon belül, amely a „jövő biogazdaságára” összpontosít. Kicsit nagyítson, és nyilvánvaló, hogy ez az átfogó küldetés egy széles körű feladatkört jelent, amely az alapvető tudományon, a technológiai innováción és a kompetenciafejlesztésen is átfogja a fejlett anyagok új generációját az erdőből.

Összességében több mint 510 kutató (és 190 projekt) képviselteti magát a Treesearch konzorciumon belül, és a munka nagyjából négy tematikus területre oszlik: fa és fakomponensek (szerkezet és módosítás); biofinomító anyagok és vegyi rendszerek számára; anyagrendszerek gyártása; és fejlett anyagfogalmak (dizájn és funkcionalitás). „A Treesearch egyik fő prioritása, hogy segítse akadémiai és iparági érdekelt feleinket, hogy hozzáférjenek a fejlett kutatási infrastruktúrákhoz Svédország-szerte” – magyarázta Daniel Söderberg, a Treesearch igazgatója és vezetője. szál- és polimertechnológiai osztály a stockholmi Királyi Műszaki Intézetben (KTH).

Ugyanilyen fontos, mondta a küldötteknek ezen a nyáron Treesearch Insight konferencia Lundban „megnyitja az ajtót az ilyen élvonalbeli kísérleti infrastruktúrák legjobb kihasználásához szükséges speciális technikai támogatás előtt”. A szóban forgó létesítmények a Nemzeti Nagyfelbontású Elektronmikroszkópiai Központ (nCHERM) a Lundi Egyetemen (Svédország délnyugati részén). sarok) a Röntgen mikrotomográfiai laboratórium a Luleåi Műszaki Egyetemen (1500 km-re az ország északkeleti részén), valamint a közöttük lévő speciális kutatási központok kiterjedt hálózata – köztük a Wallenberg Fatudományi Központ és a Svédországi Kutatóintézetek (EMELKEDIK).    

Szinkrotron betekintés

A Treesearch zászlóshajója ebben a tekintetben a MAX IV szinkrotron sugárzási létesítmény Lundban. A globálisan jelentős MAX IV a nagyméretű röntgenforrások elit káderének egyike, amely az anyag szerkezetére és viselkedésére világít rá atomi és molekuláris szinten számos alapvető és alkalmazott tudományterületen – a tisztaenergia-technológiától a gyógyszerig és az egészségügyig, a szerkezetbiológiától a kvantumtudományig és a kulturális örökségig.

Ami az alapelemeket illeti, ez a negyedik generációs fényforrás – amelyet 2016-ban adtunk át – egy lineáris elektrongyorsítóból, valamint 1.5 és 3 GeV-os elektrontároló gyűrűkből áll (a két gyűrű lágy és kemény röntgensugárzás előállítására van optimalizálva). Amellett, hogy egy rövid impulzusú létesítménybe továbbítja a sugarat, a linac teljes energiájú befecskendezőként is szolgál a két tárológyűrűhöz, amelyek viszont röntgenfotonokat generálnak, amelyeket 16 speciális sugárvonalon keresztül vonnak ki a felhasználói kísérletekhez.

A MAX IV legújabb kiegészítése, a ForMAX sugárvonal2022 novemberében nyitották meg felhasználói kísérletek számára, és az erdőből származó fenntartható faalapú anyagok kutatásának szentelték (bár támogatni fogja más összetett anyagokon, például élelmiszereken, textíliákon és csontokon végzett röntgenvizsgálatokat is). Az együttműködés ismét előtérbe kerül, a ForMAX 100 millió SEK (7.5 millió GBP) építési költségeit a Knut és Alice Wallenberg Alapítvány (egy svéd filantróp szervezet, amely tudományos kutatásokat támogat), míg a 80 millió svéd koronás működési költségvetést 10 év alatt kereskedelmi partnerek (főleg cellulóz- és papíripari cégek) fedezik. A ForMAX sugárzási időt ennek megfelelően osztják fel, a kísérletek 50%-át a Treesearch tagjai hajtják végre, a fennmaradó részt pedig a szélesebb kutatói közösség számára kínált nyílt felhívások útján.

„A ForMAX-on keresztül a Treesearch akadémiai és iparági partnerei külön hozzáférési ponttal rendelkeznek a MAX IV kutatási környezethez” – magyarázta Söderberg. „Mint ilyen, a sugárnyaláb a szinkrotron-tudomány széleskörű, egyedülálló kompetenciáját támasztja alá, és idővel lehetővé teszi a fenntartható faalapú termékek kifejlesztését a mai műanyagtermékek helyettesítésére.”

Az erdőbe

A ForMAX sugáridő nagyrészt a fa alapú anyagokkal kapcsolatos alapvető és alkalmazott kutatásokat támogatja, biztosítva in situ szerkezeti jellemzés a nanométertől a milliméter hosszúságú skálákig a teljes látómezős röntgen mikrotomográfiás képalkotás, a kis- és nagylátószögű röntgenszórás (SWAXS) és a pásztázó SWAXS képalkotás egyetlen műszerben történő kombinálásával. Kontextusban a ForMAX mikrotomográfiai rendszer beeső röntgensugarakat használ a minták sík keresztmetszeteinek létrehozására, amelyek felhasználhatók egy virtuális 3D-s modell újbóli létrehozására (1 mm-től 1 mikronig terjedő skálán). A SWAXS-elrendezés viszont két különálló detektorra támaszkodik a mintából különböző szögekben szórt röntgenspektrumok gyűjtésére: a WAXS 1 nm-es skáláig szerkezeti információt ad, a SAXS pedig lágyanyag-vizsgálatokhoz használható – például polimerek, kolloidok és biológiai összeállítások – akár több száz nm-es méretig.   

Ez a sokoldalúság lehetővé teszi a kutatók számára, hogy megvizsgálják a fa szerkezeti hierarchiáját és összetett természetét – a szálhálózattól és a sejtszerkezettől a makroszkopikus léptékben, a szálas mátrix szerkezetének és sejtfalának rendezett összeállításán át nanoszkopikus léptékben, egészen a (részben) kristályos építőelemeket makromolekuláris szinten alkotó cellulózig. „A ForMAX javítani fogja az erdészeti alapú anyagok és élelmiszertermékek összetett szerkezet-funkció kapcsolatának megértését több hosszúságú skálán” – mondta Kim Nygård, a ForMAX gerendavonal menedzsere a Treesearch Insightnak.

A ForMAX egy rugalmas eszköz, amely lehetővé teszi az anyagok tanulmányozását in situ feldolgozás során és reális körülmények között

Kim Nygård, a ForMAX beamline menedzsere

A ForMAX figyelemre méltó jellemzője a beamline multimodális képalkotó képessége, amely a teljes mezős mikrotomográfiát és a SWAXS-t szekvenciálisan kombinálja ugyanabban a kísérletben. „A beállítások közötti gyors és hatékony váltás lehetővé teszi a képalkotási és szórási adatok gyűjtését ugyanazon a mintán” – jegyezte meg Nygård. Más szóval: teljes mezős mikrotomográfia, amely áttekintést nyújt a felhasználó számára a 3D-s szerkezetről és az érdeklődésre számot tartó területekről, majd lokalizált SWAXS-ekkel, amelyek a szerkezetet és az orientációt nanoszkopikus szinten vizsgálják (lásd alább a „Sokoldalú tervezés: a ForMAX kísérleti állomás” című részt is).

„A ForMAX egy rugalmas tudományos eszköz, amely a tanulmányi anyagok időbeli felbontását is biztosítja in situ a feldolgozás során és reális körülmények között, mint például az alkalmazott hőmérséklet vagy nyomás” – tette hozzá Nygård. Egyedülálló tulajdonsága a beamline RheoSWAXS képessége, amely integrálja a legkorszerűbb reométert (a szállító Anton Paar, egy osztrák metrológiai cég) polarizált fényes képalkotással és SWAXS-szel, hogy a faalapú minták orientációs dinamikáját tanulmányozzák különböző hosszúságú skálákon, állandó és oszcilláló nyírási körülmények között. Mivel a nyírással igazított cellulóz nanokristályok szerkezeti színt mutatnak, az ilyen vizsgálatok például megnyithatják az utat a hagyományos tinták helyett a nyomtatott cellulóz-szuszpenziók használatához a jövőbeni bioalapú csomagolásban.   

Felkészülés a ragyogásra

Bár a ForMAX még csak alig több, mint hat hónapja működik, a Treesearch korai elfogadó partnerei már a kezdeti kísérleti futtatásukkal mutatják az utat. Egy példa erre az ipar és az akadémia közötti együttműködés a rostalapú fenntartható élelmiszer-csomagolás terén, amelyben a svéd csomagolóóriás is részt vesz. Tetra Pak és kutatók a címen Chalmers Műszaki Egyetem in Göteborg.

A ForMAX SWAXS képalkotó technikáit használva Linnéa Björn (Chalmers) és Eskil Andreasson (Tetra Pak) elmondta a Treesearch Insight résztvevőinek, hogy a közös csapat – szorosan együttműködve a ForMAX munkatársaival – vizsgálja a szálalapú anyagok nanoszerkezetét a papírszalmák összetételének és térfogatának optimalizálása érdekében.

Ha ez szűk fókusznak tűnik, a tágabb értelemben vett kereskedelmi kényszer egyértelmű: miközben a piacon egyre nagyobb a kereslet a műanyag csomagolás fenntarthatóbb alternatívái iránt, az olyan gyártóknak, mint a Tetra Pak, gondoskodniuk kell arról, hogy a papíralapú anyagok továbbra is élelmiszer-biztonságosak, újrahasznosíthatóak, valamint folyadékokkal és nedvességgel szemben tartósak maradjanak. Leegyszerűsítve, a Chalmers–Tetra Pak csapatának az a feladata, hogy megértse a papírszalma különböző folyadékokkal (például vízzel és narancslével) történő nedvesítése közötti összefüggést, valamint a folyamatkezelések hatását a nanoméretű szerkezetre.

„A ForMAX-nál végzett első kísérletünk elemzést nyújtott arról, hogy a papírszalma anyag hogyan reagál valós időben a környezet változásaira, valamint hogy a szalma hogyan lép kölcsönhatásba a különböző típusú folyadékokkal szigorú körülmények között” – magyarázta Andreasson, a Tetra Pak virtuális modellezésének technológiai specialistája. „Ezeket a felismeréseket a jövő papírszívószálainak fejlesztésére fogjuk alkalmazni számítógépes modellező eszközeinkben, segítve a funkcionalitás javítását.” További Tetra Pak együttműködések már folyamatban vannak a ForMAX-nál, beleértve a használatát valós idejű 4D röntgen mikrotomográfia a vízszállítási mechanizmusok tanulmányozására fenntartható papírszalmákban.

Kihasználhatjuk a szinkrotron technológiát gyártási folyamataink optimalizálására vagy az alapvető ismeretek javítására termékeink közül és a teljesítményük

Christophe Barbier, vezető kutatási vezető, Billerud

A szinkrotron röntgensugarak termékfejlesztésben való alkalmazását Christophe Barbier, a Billerud, a svéd cellulóz- és papírgyártó vezető papírfizikai kutatási menedzsere erősítette meg. „A szinkrotrontechnológiát többféleképpen is ki tudjuk aknázni” – magyarázta a Treesearch Insightnál. „Például gyártási folyamataink optimalizálása, termékeink és fizikai teljesítményük alapvető megértésének javítása, valamint a termékfölény és a versenyképes megkülönböztetés előmozdítása érdekében.”

Barbier és munkatársai régóta megtértek a „nagy tudományhoz”, akik közelről látták a szinkrotron fényforrások előnyeit. Korábban a csapat sugáridőt foglalt le A DESY PETRA III létesítménye a németországi Hamburgban, hogy tanulmányozzák a mechanikus-szorpciós kúszás alapjait (olyan hatást, amely azt mutatja, hogy a friss termékek egymásra rakott kartondobozai például váratlanul meghajlanak a húzóterhelés miatt, amikor a raktár környezeti hőmérséklete vagy páratartalma meghalad bizonyos határokat).

„Azt tűztük ki célul, hogy megállapítsuk, a szinkrotron alapú röntgenszórási technikák képesek kimutatni a mechanoszorptív kúszás hatásait a cellulózrostok ultrastruktúrájára” – jegyezte meg Barbier. "Az eredmények kellően biztatóak ahhoz, hogy indokolják a jelenség SWAXS vizsgálatának folytatását, és reméljük, hogy végül megfelelő ellenintézkedéseket dolgozzanak ki."

A közelség miatt Billerud további tanulmányokra is készül a MAX IV ForMAX sugárvonalán. Jelenlegi megkeresési irányok, együttműködve a 4D képalkotó labor a Lundi Egyetemen a röntgen-mikrotográfia használatát foglalja magában a „többrétegű” (többrétegű vagy kompozit anyagokat tartalmazó) csomagolás jellemzésére, valamint a mikroméretű tulajdonságainak és az alakítógépek terhelés alatti ömlesztett teljesítményének korrelációjára.

„A Treesearch ajtónyitó az olyan nagyszabású kutatási létesítmények felé, mint a MAX IV” – fejezte be Barbier. „Óriási lehetőség rejlik az ilyen létesítményekben az erdei anyagokkal és a fenntartható termékekkel kapcsolatos számos területen az ismeretek hiányának kezelésére.”

További információkért az olvasók hozzáférhetnek a Treesearch Insight poszterabsztraktokhoz online, beleértve a kutatási tanulmányokat is. bioalapú intelligens anyagok vízkezeléshez; egy hordozható Raspberry Pi alapú fénytomográfiás szkenner oktatási és tudományos használatra, És szinkrotron technikák, mint a fapépesítési folyamat vizsgálatának eszköze.

• SEO által támogatott tartalom és PR terjesztés. Erősödjön még ma.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Erősítse meg magát. Hozzáférés itt.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Felerősített tudás. Hozzáférés itt.
• PlatoESG. Autóipar / elektromos járművek, Carbon, CleanTech, Energia, Környezet, Nap, Hulladékgazdálkodás. Hozzáférés itt.
• BlockOffsets. A környezetvédelmi ellentételezési tulajdon korszerűsítése. Hozzáférés itt.
• Forrás: https://physicsworld.com/a/how-treesearch-is-studying-the-secrets-of-forest-materials-with-synchrotron-science/