Як Treesearch вивчає секрети лісових матеріалів за допомогою синхротронної науки – Physics World

Співпраця в масштабі забезпечує сенсом існування та цінності Пошук дерев, амбітна шведська науково-дослідна ініціатива, яка об’єднує міждисциплінарні когорта вчених та інженерів з наукових кіл, промисловості та державних установ у рамках відкритої дослідницької платформи, зосередженої на «біоекономіці майбутнього». Збільште трохи, і стане очевидним, що ця всеохоплююча місія перетворюється на широку сферу повноважень, яка охоплює фундаментальну науку, технологічні інновації та підвищення кваліфікації для реалізації нового покоління передових матеріалів з лісу.

Загалом у консорціумі Treesearch представлено понад 510 дослідників (і 190 проектів), робота яких широко розподілена на чотири тематичні області: деревина та її компоненти (структура та модифікація); біопереробка матеріалів і хімічних систем; виготовлення матеріальних систем; і передові концепції матеріалів (дизайн і функціональність). «Одним із основних пріоритетів Treesearch є допомога нашим академічним і галузевим зацікавленим сторонам отримати доступ до передових дослідницьких інфраструктур у всій Швеції», — пояснив Даніель Содерберг, директор Treesearch і керівник кафедра технології волокон і полімерів в Королівському технологічному інституті (KTH), Стокгольм.

Не менш важливо, сказав він делегатам цього літа Конференція Treesearch Insight у Лунді, «відкриває двері для спеціалізованої технічної підтримки, необхідної для найкращого використання такої передової експериментальної інфраструктури». Об’єкти, про які йдеться, варіюються від Національний центр електронної мікроскопії високої роздільної здатності (nCHERM) в Лундському університеті (на південно-західній частині Швеції кут) до Лабораторія рентгенівської мікротомографії у Технологічному університеті Лулео (1500 км на північному сході країни), а також розгалужену мережу спеціалізованих дослідницьких центрів між ними – серед них Науковий центр Валленберга Вуда і Науково-дослідні інститути Швеції (ПІДЙОМ).    

Синхротронні ідеї

Головним партнером Treesearch у цьому плані є Установка синхротронного випромінювання MAX IV в Лунді. MAX IV є одним із елітних джерел великомасштабного рентгенівського випромінювання, який має глобальне значення та проливає світло на структуру та поведінку матерії на атомному та молекулярному рівнях у низці фундаментальних і прикладних дисциплін – від технологій чистої енергії. до фармацевтики та охорони здоров’я, від структурної біології до квантової науки та культурної спадщини.

З точки зору основних будівельних блоків, це джерело світла четвертого покоління, яке було відкрито в 2016 році, складається з лінійного прискорювача електронів плюс кілець для накопичення електронів на 1.5 і 3 ГеВ (з двома кільцями, оптимізованими для виробництва м’якого та жорсткого рентгенівського випромінювання). , відповідно). Окрім доставки променя до установки з коротким імпульсом, лінак служить інжектором повної енергії для двох накопичувальних кілець, які, у свою чергу, генерують фотони рентгенівського випромінювання, які вилучаються для експериментів користувача через 16 спеціальних ліній променів.

Останнє доповнення до MAX IV, the ForMAX beamline, відкритий для експериментів користувачів у листопаді 2022 року та присвячений дослідженню стійких лісових матеріалів на основі деревини (хоча він також підтримуватиме рентгенівські дослідження інших складних матеріалів, таких як їжа, текстиль і кістки). Співпраця знову є центральною, оскільки 100 мільйонів шведських крон (7.5 мільйонів фунтів стерлінгів) витрати на будівництво ForMAX фінансуються Фонд Кнута та Аліси Валленбергів (шведська благодійна організація, яка підтримує наукові дослідження), тоді як операційний бюджет у 80 мільйонів шведських крон протягом 10 років покривається комерційними партнерами (переважно компаніями целюлозно-паперової промисловості). Час промінь ForMAX розподіляється відповідно: 50% експериментів мають проводити учасники Treesearch, а решта пропонується через відкриті конкурси для широкого дослідницького співтовариства.

«Завдяки ForMAX наукові кола Treesearch і промислові партнери мають спеціальну точку доступу до дослідницького середовища MAX IV», — пояснив Содерберг. «Таким чином, промінь лежить в основі широкої, унікальної компетенції в синхротронній науці та з часом дозволить розробити стійкі вироби на основі деревини, щоб замінити сучасні пластикові вироби».

В ліс

Здебільшого час променя ForMAX підтримуватиме фундаментальні та прикладні дослідження матеріалів на основі деревини, забезпечуючи на місці структурна характеристика від нанометрового до міліметрового масштабу довжини шляхом поєднання повнопольного рентгенівського мікротомографічного зображення, малого та ширококутного рентгенівського розсіювання (SWAXS) і скануючого зображення SWAXS в одному інструменті. Для контексту система мікротомографії ForMAX використовує падаючі рентгенівські промені для створення плоских поперечних перерізів зразка, які можна використовувати для відтворення віртуальної 3D-моделі (у масштабах довжини від 1 мм до 1 мікрона). З іншого боку, установка SWAXS покладається на два дискретних детектори для збору рентгенівських спектрів, розсіяних від зразка під різними кутами: WAXS дає структурну інформацію до масштабу 1 нм, а SAXS використовується для досліджень м’якої речовини – полімерних, колоїдних і біологічних агрегатів, наприклад – розміром до кількох сотень нм.   

Ця універсальність дозволить дослідникам досліджувати структурну ієрархію деревини та її композитну природу – від мережі волокон і клітинної структури в макроскопічному масштабі, через упорядковані вузли матричної структури фібрил і клітинних стінок у наноскопічному масштабі, аж до целюлози, яка утворює (частково) кристалічні будівельні блоки на макромолекулярному рівні. «ForMAX покращить наше розуміння складних структурно-функціональних зв’язків у лісових матеріалах і харчових продуктах у різних масштабах довжини», – сказав Кім Нігорд, менеджер ForMAX beamline, Treesearch Insight.

ForMAX — це гнучкий інструмент, який дозволяє вивчати матеріали на місці під час обробки та в реалістичних умовах

Кім Нігорд, менеджер ForMAX beamline

Примітною особливістю ForMAX є мультимодальна можливість візуалізації лінії променя, яка поєднує мікротомографію повного поля та SWAXS послідовно в одному експерименті. «Швидке та ефективне перемикання між установками дозволяє збирати зображення та дані розсіювання на одному зразку», — зазначив Нігорд. Іншими словами: мікротомографія повного поля, щоб надати користувачеві огляд 3D-структури та регіонів, що цікавлять, з локалізованою SWAXS, яка потім використовується для дослідження структури та орієнтації на наноскопічному рівні (див. також «Універсальний дизайн: експериментальна станція ForMAX» , нижче).

«ForMAX — це гнучкий науковий інструмент, який також забезпечує часову роздільну здатність для досліджуваних матеріалів на місці під час обробки та за реалістичних умов, таких як прикладена температура чи тиск», – додав Нігорд. Унікальною особливістю є функція Beamline RheoSWAXS, яка включає в себе найсучасніший реометр (постачається компанією Антон Паар, австрійська метрологічна компанія) із зображенням у поляризованому світлі та SWAXS для вивчення орієнтаційної динаміки зразків на основі деревини в діапазоні масштабів довжини та в умовах сталого та коливального зсуву. Оскільки нанокристали целюлози, вирівняні за допомогою зсуву, мають структурний колір, такі дослідження можуть, наприклад, прокласти шлях до використання друкованих целюлозних суспензій замість традиційних чорнил у майбутніх біоупаковках.   

Готуємося сяяти

Незважаючи на те, що ForMAX працює лише трохи більше шести місяців, партнери Treesearch, які рано впровадили його, вже показують шлях у своїх початкових експериментальних запусках. Яскравим прикладом є співпраця між галуззю та науковими установами щодо сталого пакування харчових продуктів на основі волокна за участю шведського пакувального гіганта Тетра Пак та дослідники в Технологічний університет Чалмерса in Гетеборг.

Використовуючи методи візуалізації ForMAX SWAXS, Ліннеа Бйорн з Чалмерса та Ескіл Андреассон з Tetra Pak розповіли учасникам Treesearch Insight, як об’єднана команда, тісно співпрацюючи з вченими ForMAX, вивчає наноструктуру матеріалів на основі волокон, щоб оптимізувати склад і об’єм. виготовлення паперової соломки.

Якщо це здається вузьким фокусом, ширший комерційний імператив очевидний: хоча ринковий попит на більш стійкі альтернативи пластиковій упаковці зростає, виробники, такі як Tetra Pak, повинні гарантувати, що паперові матеріали залишатимуться безпечними для харчових продуктів, переробленими та довговічними. рідини та вологість. Простіше кажучи, завдання команди Chalmers–Tetra Pak полягає в тому, щоб зрозуміти взаємозв’язок між змочуванням паперової соломки різними рідинами (наприклад, водою та апельсиновим соком), а також вплив технологічних процесів на наноструктуру.

«Наш перший експеримент у ForMAX забезпечив аналіз того, як паперово-солом’яний матеріал реагує на зміни в навколишньому середовищі в режимі реального часу, а також те, як солома взаємодіє з різними типами рідин у суворих умовах», – пояснив Андреассон, фахівець з технологій у віртуальних сферах. моделювання в Tetra Pak. «Ці знання будуть застосовані для розробки паперових соломинок майбутнього в наших інструментах комп’ютерного моделювання, що допоможе нам покращити їхню функціональність». Подальша співпраця з Tetra Pak вже ведеться у ForMAX, включаючи використання 4D рентгенівська мікротомографія в реальному часі для вивчення механізмів транспортування води в стійких паперових соломинках.

Ми можемо використовувати синхротронну технологію для оптимізації наших виробничих процесів або покращення фундаментального розуміння наших продуктів та їх продуктивність

Крістоф Барб'є, старший менеджер з досліджень, Billerud

Застосування синхротронного рентгенівського випромінювання у розробці продуктів було підкріплено Крістофом Барб’є, старшим менеджером з досліджень фізики паперу в Billerud, шведському виробнику целюлози та паперу, який також спеціалізується на пакувальних матеріалах на основі волокон для харчових продуктів, напоїв і медицини. «Ми можемо використовувати синхротронну технологію кількома способами», — пояснив він у Treesearch Insight. «Наприклад, для оптимізації наших виробничих процесів або покращення фундаментального розуміння наших продуктів та їх фізичних характеристик, а також для досягнення переваги продукту та конкурентної диференціації».

Барб’є та його колеги давно навернулися до «великої науки», які зблизька побачили переваги синхротронних джерел світла. Раніше команда забронювала час на передачу Об'єкт DESY PETRA III у Гамбурзі, Німеччина, для вивчення основ механосорбційної повзучості (ефект, який може спостерігати, як складені картонні коробки зі свіжими продуктами, наприклад, несподівано згинаються через навантаження на розтяг, коли температура або вологість навколишнього складу перевищують певні межі).

«Ми вирішили встановити, що методи рентгенівського розсіювання на основі синхротронів можуть виявити вплив механосорбційної повзучості на ультраструктуру волокон целюлози», — зазначив Барб’є. «Результати достатньо обнадійливі, щоб вимагати продовження дослідження цього явища за допомогою SWAXS і, як ми сподіваємося, з часом розробити відповідні контрзаходи».

Зважаючи на близькість, Біллеруд також готується до подальших досліджень на лінії променя ForMAX MAX IV. Поточні напрямки дослідження у співпраці з Лабораторія 4D зображень в Університеті Лунда, включають використання рентгенівської мікротомографії для характеристики «багатошарової» упаковки (що містить багатошарові або композиційні матеріали) і співвідносить її мікромасштабні властивості з об’ємною продуктивністю під навантаженням у формувальних машинах.

«Treesearch відкриває двері для широкомасштабних дослідницьких центрів, таких як MAX IV», — підсумував Барб’є. «Такі об’єкти мають величезний потенціал для усунення прогалин у знаннях у багатьох сферах, пов’язаних із лісовими матеріалами та стійкими продуктами».

Щоб отримати додаткову інформацію, читачі можуть отримати доступ до анотацій плакатів Treesearch Insight в Інтернеті, включаючи дослідження з розумні матеріали на біологічній основі для очищення води; портативний Світловий томограф на базі Raspberry Pi для освітнього та наукового використанняІ синхротронні методи як інструмент для дослідження процесу виробництва целюлози.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Додайте собі сили. Доступ тут.
• PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• ПлатонЕСГ. Автомобільні / електромобілі, вуглець, CleanTech, Енергія, Навколишнє середовище, Сонячна, Поводження з відходами. Доступ тут.
• BlockOffsets. Модернізація екологічної компенсаційної власності. Доступ тут.
• джерело: https://physicsworld.com/a/how-treesearch-is-studying-the-secrets-of-forest-materials-with-synchrotron-science/