Hoe Treesearch de geheimen van bosmaterialen bestudeert met synchrotronwetenschap - Physics World

Samenwerking, op schaal, biedt de bestaansreden For Boom zoeken, een ambitieus Zweeds R&D-initiatief dat interdisciplinair samenwerkt cohort van wetenschappers en ingenieurs uit de academische wereld, de industrie en overheidsinstanties binnen een open onderzoeksplatform gericht op de "toekomstige bio-economie". Zoom een ​​beetje in en het is duidelijk dat deze overkoepelende missie zich vertaalt in een brede opdracht, een die fundamentele wetenschap, technologische innovatie en competentieopbouw omvat om een ​​nieuwe generatie geavanceerde materialen uit het bos te realiseren.

Gezamenlijk zijn er meer dan 510 onderzoekers (en 190 projecten) vertegenwoordigd binnen het Treesearch-consortium, waarbij het werk grofweg verdeeld is over vier thematische gebieden: hout en houtcomponenten (structuur en modificatie); bioraffinaderij voor materialen en chemische systemen; fabricage van materiaalsystemen; en geavanceerde materiaalconcepten (design en functionaliteit). "Een van de kernprioriteiten van Treesearch is om onze academische en industriële belanghebbenden te helpen toegang te krijgen tot geavanceerde onderzoeksinfrastructuren in heel Zweden", legt Daniel Söderberg, Treesearch-directeur en hoofd van de afdeling vezel- en polymeertechnologie aan het Koninklijk Instituut voor Technologie (KTH), Stockholm.

Even belangrijk, vertelde hij de afgevaardigden deze zomer Treesearch Insight-conferentie in Lund, "opent de deur naar de specialistische technische ondersteuning die nodig is om optimaal gebruik te maken van dergelijke geavanceerde experimentele infrastructuren". De faciliteiten in kwestie variëren van de Nationaal centrum voor elektronenmicroscopie met hoge resolutie (nCHERM) aan de Universiteit van Lund (in het zuidwesten van Zweden hoek) naar de Laboratorium voor röntgenmicrotomografie aan de Technische Universiteit van Luleå (1500 km verderop in het noordoosten van het land) plus een uitgebreid netwerk van gespecialiseerde onderzoekscentra daartussenin – waaronder de Wetenschapscentrum Wallenberg Wood en Onderzoeksinstituten van Zweden (OPSTAAN).    

Synchrotron-inzichten

Een toonaangevende Treesearch-partner in dit opzicht is de MAX IV synchrotronstralingsfaciliteit in Lund. MAX IV is wereldwijd belangrijk en behoort tot een elitegroep van grootschalige röntgenbronnen die licht werpen op de structuur en het gedrag van materie op atomair en moleculair niveau in een reeks fundamentele en toegepaste disciplines - van technologieën voor schone energie tot farma en gezondheidszorg, van structurele biologie tot kwantumwetenschap en cultureel erfgoed.

In termen van kernbouwstenen bestaat deze lichtbron van de vierde generatie - die in 2016 werd ingehuldigd - uit een lineaire elektronenversneller plus 1.5 en 3 GeV elektronenopslagringen (waarbij de twee ringen zijn geoptimaliseerd voor respectievelijk de productie van zachte en harde röntgenstralen). De lineaire versneller levert niet alleen een bundel aan een kortepulsfaciliteit, maar dient ook als een injector met volledige energie voor de twee opslagringen die op hun beurt röntgenfotonen genereren die worden geëxtraheerd voor gebruikersexperimenten over 16 gespecialiseerde bundellijnen.

De nieuwste toevoeging aan MAX IV, de VoorMAX bundellijn, geopend voor gebruikersexperimenten in november 2022 en is gewijd aan onderzoek naar duurzame materialen op houtbasis uit het bos (hoewel het ook röntgenonderzoek naar andere complexe materialen zoals voedsel, textiel en bot zal ondersteunen). Samenwerking staat weer centraal, met de bouwkosten van 100 miljoen SEK (£ 7.5 miljoen) van ForMAX, gefinancierd door de Stichting Knut en Alice Wallenberg (een Zweedse filantropische organisatie die wetenschappelijk onderzoek ondersteunt), terwijl het operationele budget van 80 miljoen SEK over 10 jaar wordt gedekt door commerciële partners (voornamelijk bedrijven in de pulp- en papierindustrie). ForMAX-bundeltijd wordt dienovereenkomstig toegewezen, waarbij 50% van de experimenten wordt uitgevoerd door Treesearch-leden en de rest wordt aangeboden via open oproepen aan de bredere onderzoeksgemeenschap.

"Via ForMAX hebben de academische en industriële partners van Treesearch een speciaal toegangspunt tot de MAX IV-onderzoeksomgeving", legt Söderberg uit. "Als zodanig ondersteunt de bundellijn een brede, unieke competentie in synchrotronwetenschap en zal het in de loop van de tijd de ontwikkeling mogelijk maken van duurzame producten op houtbasis ter vervanging van de huidige plastic producten."

In het bos

Voor het grootste deel zal de ForMAX-bundeltijd fundamentele en toegepaste studies over op hout gebaseerde materialen ondersteunen in situ structurele karakterisering van nanometer tot millimeter lengteschalen door het combineren van full-field X-ray microtomografische beeldvorming, small- en wide-angle X-ray scattering (SWAXS) en scanning SWAXS-beeldvorming in een enkel instrument. Voor de context gebruikt het ForMAX-microtomografiesysteem invallende röntgenstralen om vlakke dwarsdoorsneden van een monster te genereren die kunnen worden gebruikt om een ​​virtueel 3D-model te creëren (op lengteschalen van 1 mm tot 1 micron). De SWAXS-opstelling vertrouwt daarentegen op twee discrete detectoren om röntgenspectra te verzamelen die vanuit een monster onder verschillende hoeken zijn verstrooid: WAXS levert structurele informatie op tot op de schaal van 1 nm, terwijl SAXS wordt gebruikt voor studies van zachte materie - van bijvoorbeeld polymeer, colloïdale en biologische assemblages - tot enkele honderden nm groot.   

Die veelzijdigheid stelt onderzoekers in staat om de structurele hiërarchie en samenstelling van hout te onderzoeken - van het vezelnetwerk en de cellulaire structuur op macroscopische schaal, via geordende assemblages van de fibrilmatrixstructuur en celwanden op nanoscopische schaal, tot aan de cellulose die de (gedeeltelijk) kristallijne bouwstenen vormt op macromoleculair niveau. "ForMAX zal ons begrip van de complexe structuur-functierelatie in bosgebaseerde materialen en voedselproducten over meerdere lengteschalen verbeteren", vertelde Kim Nygård, ForMAX beamline-manager, aan Treesearch Insight.

ForMAX is een flexibel instrument dat de studie van materialen mogelijk maakt in situ tijdens de verwerking en onder realistische omstandigheden

Kim Nygård, bundellijnmanager van ForMAX

Een opvallend kenmerk van ForMAX is de multimodale beeldvormingscapaciteit van de bundellijn, waarbij full-field microtomography en SWAXS opeenvolgend worden gecombineerd in hetzelfde experiment. "Snel en efficiënt schakelen tussen opstellingen maakt het verzamelen van beeldvormings- en verstrooiingsgegevens over hetzelfde monster mogelijk", merkte Nygård op. Met andere woorden: full-field microtomografie om de gebruiker een overzicht te geven van de 3D-structuur en interessegebieden, met gelokaliseerde SWAXS die vervolgens worden gebruikt om structuur en oriëntatie op nanoscopisch niveau te onderzoeken (zie ook "Veelzijdig ontwerp: het ForMAX-experimentele station", hieronder).

“ForMAX is een flexibel wetenschappelijk instrument dat ook de temporele resolutie biedt om materialen te bestuderen in situ tijdens de verwerking en onder realistische omstandigheden zoals toegepaste temperatuur of druk,” voegde Nygård toe. Een uniek kenmerk is de RheoSWAXS-mogelijkheid van de bundellijn, die een ultramoderne reometer integreert (geleverd door Anton Paar, een Oostenrijks metrologisch bedrijf) met beeldvorming met gepolariseerd licht en SWAXS om de oriënterende dynamiek van op hout gebaseerde monsters over een reeks lengteschalen en onder stabiele en oscillerende afschuifomstandigheden te bestuderen. Omdat nanokristallen van cellulose die door afschuiving zijn uitgelijnd structurele kleur vertonen, kunnen dergelijke studies bijvoorbeeld de weg vrijmaken voor het gebruik van bedrukte cellulosesuspensies in plaats van traditionele inkten in toekomstige biobased verpakkingen.   

Klaar om te schitteren

Hoewel ForMAX nog maar iets meer dan zes maanden actief is, wijzen Treesearch-partners in een vroeg stadium al de weg met hun eerste experimentele runs. Een voorbeeld hiervan is een samenwerking tussen de industrie en de academische wereld op het gebied van op vezels gebaseerde duurzame voedselverpakkingen waarbij een Zweedse verpakkingsgigant betrokken was Tetra Pak en onderzoekers op Chalmers University of Technology in Göteborg.

Met behulp van ForMAX's SWAXS-beeldvormingstechnieken vertelden Linnéa Björn van Chalmers en Eskil Andreasson van Tetra Pak de aanwezigen aan Treesearch Insight hoe het gezamenlijke team - in nauwe samenwerking met ForMAX-stafwetenschappers - de nanostructuur van op vezels gebaseerde materialen bestudeert in een poging om de samenstelling en volumeproductie van papieren rietjes.

Als dat een beperkte focus lijkt, is de bredere commerciële noodzaak duidelijk: terwijl er een groeiende marktvraag is naar duurzamere alternatieven voor plastic verpakkingen, moeten fabrikanten zoals Tetra Pak ervoor zorgen dat op papier gebaseerde materialen voedselveilig, recyclebaar en duurzaam blijven tegen vloeistoffen en vocht. Simpel gezegd, de taak van het Chalmers-Tetra Pak-team is om de correlatie te begrijpen tussen het bevochtigen van het papieren rietje met verschillende vloeistoffen (bijvoorbeeld water en sinaasappelsap), evenals de impact van procesbehandelingen op de structuur op nanoschaal.

"Ons eerste experiment bij ForMAX leverde een analyse op van hoe materiaal van papierstro in realtime reageert op veranderingen in de omgeving, en hoe het rietje onder strikte omstandigheden interageert met verschillende soorten vloeistoffen", legt Andreasson uit, een technologiespecialist in virtuele modellering bij Tetra Pak. "Deze inzichten zullen worden toegepast om de papieren rietjes van de toekomst te ontwikkelen in onze computermodelleringstools, waardoor we hun functionaliteit kunnen verbeteren." Verdere Tetra Pak-samenwerkingen zijn al in de maak bij ForMAX, inclusief het gebruik van real-time 4D röntgenmicrotomografie om watertransportmechanismen in duurzame papieren rietjes te bestuderen.

We kunnen synchrotrontechnologie gebruiken om onze productieprocessen te optimaliseren of het fundamentele inzicht te vergroten van onze producten en hun prestaties

Christophe Barbier, senior onderzoeksmanager, Billerud

De toepassing van synchrotron-röntgenstralen in productontwikkeling werd versterkt door Christophe Barbier, een senior onderzoeksmanager in papierfysica bij Billerud, de Zweedse pulp- en papierfabrikant die ook gespecialiseerd is in op vezels gebaseerde verpakkingsmaterialen voor voedsel, drank en medische toepassingen. "We kunnen synchrotrontechnologie op verschillende manieren benutten", legde hij uit bij Treesearch Insight. "Om bijvoorbeeld onze productieprocessen te optimaliseren of het fundamentele begrip van onze producten en hun fysieke prestaties te verbeteren, en om productsuperioriteit en concurrentiedifferentiatie te stimuleren."

Barbier en zijn collega's zijn al lange tijd bekeerlingen tot "big science" die de voordelen van synchrotron-lichtbronnen van dichtbij hebben gezien. Eerder heeft het team bundeltijd geboekt om DESY's PETRA III-faciliteit in Hamburg, Duitsland, om de grondbeginselen van mechanisch-sorberende kruip te bestuderen (een effect waarbij bijvoorbeeld gestapelde kartonnen dozen met verse producten onverwacht kunnen knikken als gevolg van trekbelasting wanneer de omgevingstemperatuur of vochtigheid in het magazijn bepaalde limieten overschrijdt).

"We wilden vaststellen dat op synchrotron gebaseerde röntgenverstrooiingstechnieken de effecten van mechanisch-sorberende kruip op de ultrastructuur van pulpvezels kunnen detecteren", aldus Barbier. "De resultaten zijn voldoende bemoedigend om voortgezette SWAXS-onderzoeken naar het fenomeen te rechtvaardigen en, naar we hopen, uiteindelijk passende tegenmaatregelen te ontwikkelen."

Nabijheid is wat het is, Billerud maakt zich ook op voor verdere studies aan de ForMAX-bundellijn van MAX IV. Huidige onderzoekslijnen, in samenwerking met de 4D-beeldvormingslaboratorium aan de Universiteit van Lund, omvatten het gebruik van röntgenmicrotomografie om "meerlagige" verpakkingen (bestaande uit meerlagige of composietmaterialen) te karakteriseren en de eigenschappen op microschaal te correleren met de bulkprestaties onder belasting in vormmachines.

"Treesearch is onze deuropener naar grootschalige onderzoeksfaciliteiten zoals MAX IV," concludeerde Barbier. "Er is een enorm potentieel voor dergelijke faciliteiten om kennishiaten op veel gebieden met betrekking tot bosmaterialen en duurzame producten aan te pakken."

Voor meer informatie kunnen lezers online toegang krijgen tot de Treesearch Insight-postersamenvattingen, inclusief onderzoeksstudies over biobased slimme materialen voor waterbehandeling; een draagbaar Raspberry Pi-gebaseerde lichttomografiescanner voor educatief en wetenschappelijk gebruikund synchrotrontechnieken als hulpmiddel om het houtpulpproces te onderzoeken.

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. Automotive / EV's, carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• BlockOffsets. Eigendom voor milieucompensatie moderniseren. Toegang hier.
• Bron: https://physicsworld.com/a/how-treesearch-is-studying-the-secrets-of-forest-materials-with-synchrotron-science/