Treesearch がシンクロトロン科学で森林材料の秘密を研究している方法 – Physics World

大規模なコラボレーションにより、 存在意義 for ツリーサーチ、学際的な研究開発を結集する野心的なスウェーデンの研究開発イニシアチブ 「将来のバイオエコノミー」に焦点を当てたオープンな研究プラットフォーム内の学界、産業界、政府機関の科学者とエンジニアの集団。 少し拡大してみると、この包括的な使命が、森林から新世代の先端材料を実現するための基礎科学、技術革新、能力構築に及ぶ広範な任務に変換されていることが明らかです。

Treesearch コンソーシアムには、合計 510 人を超える研究者 (および 190 のプロジェクト) が参加しており、その研究は大きく XNUMX つのテーマ領域に分かれています。 材料および化学システムのバイオリファイナリー。 材料システムの製造。 先進的な素材コンセプト（デザインと機能性）。 「Treesearch の中心的な優先事項の XNUMX つは、学術界および産業界の関係者がスウェーデン全土の高度な研究インフラにアクセスできるように支援することです」と Treesearch のディレクター兼責任者のダニエル・ソーダーバーグ氏は説明しました。 繊維およびポリマー技術学科 ストックホルムの王立工科大学（KTH）にて。

同様に重要なことは、彼が今夏の大会で代表者らに語った。 Treesearch Insight カンファレンス ルンドでは、「このような最先端の実験インフラを最大限に活用するために必要な専門家の技術サポートへの扉を開きます」。 対象となる施設は以下のとおりです。 国立高分解能電子顕微鏡センター (nCHERM) ルンド大学 (スウェーデン南西部) コーナー）へ X線マイクロトモグラフィー研究室 ルレオ工科大学 (国の北東に 1500 km 離れたところにあります) に加えて、その間にある専門研究ハブの広範なネットワークも備えています。 ヴァレンベルク木材科学センター と スウェーデンの研究機関 （上昇）。    

シンクロトロンに関する洞察

この点に関する主要な Treesearch パートナーは、 MAX IV放射光施設 ルンドで。 世界的に重要な MAX IV は、大規模 X 線源のエリート幹部の XNUMX つであり、クリーン エネルギー技術から製薬およびヘルスケア、構造生物学から量子科学および文化遺産に至るまで、幅広い基礎および応用分野にわたって、原子および分子レベルで物質の構造と挙動に光を当てています。

コア構成要素の観点から見ると、この第 2016 世代光源は 1.5 年に発足し、線形電子加速器と 3 GeV および 16 GeV の電子蓄積リング (XNUMX つのリングはそれぞれ軟 X 線と硬 X 線の生成に最適化されている) で構成されています。 この線形加速器は、短パルス施設にビームを供給するだけでなく、XNUMX つの蓄積リングへの全エネルギー注入器としても機能し、X 線光子を生成し、XNUMX の専門ビームラインにわたるユーザー実験のために抽出されます。

MAX IV に新たに追加されたのは、 ForMAX ビームライン、2022年100月にユーザー実験のためにオープンし、森林からの持続可能な木質材料の研究に専念しています（ただし、食品、繊維、骨などの他の複雑な材料に関するX線研究もサポートします）。 ForMAX の建設費 7.5 億 SEK (XNUMX 万ポンド) は、 クヌートとアリスウォレンバーグ財団 (科学研究を支援するスウェーデンの慈善団体)、80年間にわたる10万SEKの運営予算は商業パートナー(主に紙パルプ産業の企業)によって賄われています。 ForMAX のビームタイムはそれに応じて割り当てられ、実験の 50% は Treesearch メンバーによって実施され、残りはより広範な研究コミュニティへの公募を通じて提供されます。

「ForMAX を通じて、Treesearch の学術機関と業界パートナーは MAX IV 研究環境への専用アクセス ポイントを持っています」と Söderberg 氏は説明しました。 「そのため、このビームラインは放射光科学における広範でユニークな能力を支え、時間の経過とともに、今日のプラスチック製品に代わる持続可能な木質製品の開発を可能にするでしょう。」

森の中へ

ほとんどの場合、ForMAX ビームタイムは、木材ベースの材料に関する基礎研究と応用研究をサポートします。 その場 全視野 X 線マイクロトモグラフィー イメージング、小および広角 X 線散乱 (SWAXS)、およびスキャニング SWAXS イメージングを 3 台の機器で組み合わせることにより、ナノメートルからミリメートルの長さのスケールで構造特性評価を行うことができます。 ちなみに、ForMAX マイクロトモグラフィー システムは、入射 X 線を使用してサンプルの平面断面を生成し、これを使用して仮想 1D モデルを再作成します (長さは 1 mm から 1 ミクロンまでスケール)。 一方、SWAXS のセットアップは、サンプルから散乱した X 線スペクトルをさまざまな角度で収集するために XNUMX つの個別の検出器に依存しています。WAXS は XNUMX nm スケールまでの構造情報を提供し、SAXS は、たとえばポリマー、コロイド、生物学的集合体のサイズが数百 nm までのソフトマターの研究に使用されます。   

その多用途性により、研究者は、巨視的スケールでの繊維ネットワークと細胞構造から、ナノスケールでのフィブリルマトリックス構造と細胞壁の規則正しい集合体を経て、巨大分子レベルで（部分的に）結晶性の構成要素を形成するセルロースに至るまで、木材の構造階層と複合的性質を研究することが可能になります。 「ForMAX は、複数の長さスケールにわたる森林由来の材料や食品の複雑な構造と機能の関係についての理解を向上させます」と、ForMAX ビームラインマネージャーの Kim Nygård 氏は Treesearch Insight に語った。

ForMAX は材料の研究を可能にする柔軟な機器です 現場の 処理中および現実的な条件下で

Kim Nygård 氏、ForMAX ビームラインマネージャー

ForMAX の注目すべき機能は、同じ実験内でフルフィールドマイクロトモグラフィーと SWAXS を連続的に組み合わせたビームラインのマルチモーダルイメージング機能です。 「セットアップ間の高速かつ効率的な切り替えにより、同じサンプルのイメージング データと散乱データを収集できます」と Nygård 氏は述べています。 言い換えれば、ユーザーに 3D 構造と関心領域の概要を提供するフルフィールド マイクロトモグラフィーと、局所的な SWAXS を使用してナノスケール レベルでの構造と配向を調査することができます (下記の「多用途な設計: ForMAX 実験ステーション」も参照)。

「ForMAX は、研究材料の時間分解能も提供する柔軟な科学機器です。 現場の 加工中、適用される温度や圧力などの現実的な条件下で」とナイガード氏は付け加えた。 ユニークな機能は、最先端のレオメーター (提供元) を統合したビームラインの RheoSWAXS 機能です。 アントンパール、オーストリアの計測会社）は、偏光イメージングと SWAXS を使用して、さまざまな長さスケールにわたって、定常振動せん断条件下で木材ベースのサンプルの配向力学を研究しました。 せん断配向したセルロースナノ結晶は構造色を示すため、このような研究は、例えば将来のバイオベースのパッケージングにおいて従来のインクの代わりに印刷されたセルロース懸濁液を使用する道を開く可能性がある。   

輝く準備をする

ForMAX は稼働してまだ XNUMX か月と少ししか経っていませんが、早期に導入した Treesearch パートナーは、最初の実験実行ですでに道を示しています。 その好例は、スウェーデンの包装大手が関与した繊維ベースの持続可能な食品包装に関する産学連携です。 テトラパック と研究者 チャルマース工科大学 in ヨーテボリ。

ForMAX の SWAXS イメージング技術を使用して、Chalmers の Linnéa Björn 氏と Tetra Pak の Eskil Andreasson 氏は、ForMAX スタッフの科学者と緊密に連携する共同チームが紙ストローの組成と量産を最適化するために繊維ベースの材料のナノ構造をどのように研究しているかを Treesearch Insight の参加者に説明しました。

それが狭い焦点に見えるとしても、より広範な商業上の責務は明らかです。プラスチック包装に代わるより持続可能な代替品に対する市場の需要が高まる一方で、テトラパックのようなメーカーは、紙ベースの材料が食品に安全で、リサイクル可能で、液体や湿気に対する耐久性を確保する必要があります。 簡単に言うと、チャルマーズとテトラパックのチームの課題は、さまざまな液体 (水とオレンジ ジュースなど) による紙ストローの濡れと、ナノスケール構造に対するプロセス処理の影響との相関関係を理解することです。

「ForMAX での最初の実験では、紙ストロー素材が環境の変化にリアルタイムでどのように反応するか、またストローが厳しい条件下でさまざまな種類の液体とどのように相互作用するかについての分析が行われました」とテトラパックの仮想モデリング技術スペシャリストであるアンドレアソン氏は説明しました。 「これらの洞察は、当社のコンピューターモデリングツールで将来の紙ストローの開発に適用され、機能の向上に役立ちます。」 ForMAX では、テトラパックとのさらなるコラボレーションがすでに進行中です。 持続可能な紙ストローの水輸送メカニズムを研究するためのリアルタイム 4D X 線マイクロトモグラフィー.

シンクロトロン技術を活用して、製造プロセスを最適化したり、基本的な理解を強化したりできます。 当社の製品の そして彼らのパフォーマンス

Christophe Barbier 氏、ビレルド社シニアリサーチマネージャー

製品開発におけるシンクロトロン X 線の応用は、食品、飲料、医療用途向けの繊維ベースの包装材料も専門とするスウェーデンの紙パルプメーカー Billerud の紙物理学上級研究マネージャーである Christophe Barbier 氏によって強化されました。 「シンクロトロン技術はいくつかの方法で活用できます」と彼は Treesearch Insight で説明しました。 「たとえば、製造プロセスを最適化したり、製品とその物理的性能の基本的な理解を深めたり、製品の優位性や競争上の差別化を推進したりするためです。」

バルビエ氏と彼の同僚は、長年にわたり「ビッグサイエンス」に転向し、シンクロトロン光源の利点を間近で見てきました。 以前、チームは次の場所でビームタイムを予約していました。 DESYのPETRA III施設 機械吸着クリープ（例えば、倉庫の周囲の温度や湿度が一定の限界を超えた場合に、引張荷重により予期せず座屈するなど、生鮮食品を詰めた段ボール箱が積み重なる現象）の基礎を研究するため、ドイツのハンブルクで研究を行った。

「私たちは、シンクロトロンベースの X 線散乱技術がパルプ繊維の超微細構造に対する機械吸着クリープの影響を検出できることを確立することに取り組みました」と Barbier 氏は述べています。 「この結果は、SWAXS による現象の継続調査を正当化するのに十分な有望なものであり、最終的には適切な対策を開発することを望んでいます。」

近接性を考慮して、Billerud 氏は MAX IV の ForMAX ビームラインでのさらなる研究の準備も進めています。 現在の問い合わせ内容は、 4Dイメージングラボ ルンド大学では、X 線マイクロトモグラフィーを使用して「多層」パッケージング (多層または複合材料で構成される) を特徴付け、そのマイクロスケール特性と成形機の負荷下でのバルク性能を相関させます。

「Treesearch は、MAX IV のような大規模研究施設への扉を開くものです」と Barbier 氏は結論付けました。 「このような施設は、森林資材や持続可能な製品に関する多くの分野における知識のギャップに対処できる大きな可能性を秘めています。」

さらに詳しい情報については、読者はオンラインで Treesearch Insight のポスター要約にアクセスできます。 水処理用のバイオベースのスマート材料; ポータブル 教育および科学用途向けの Raspberry Pi ベースの光断層撮影スキャナー、および 木材パルプ化プロセスを調査するツールとしてのシンクロトロン技術.

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