Plastbåtar av trä med fibrer som är starkare än stål
Forskare vid KTH har tillsammans med tyska kollegor studerat cellulosa och kommit fram till hur man skapar ett material som är starkare än både stål och aluminium.
Träd är uppbyggt av fibrer, som i sin tur består av små trådliknande byggstenar som kallas fibriller. Fibrillerna kända sedan länge och det finns tekniker för att separera dem, men däremot ingen metod foga samman dem igen. Lyckas det kan man få ett material som blir lika starkt som de enskilda fibrerna i trädet, vilka slår både stål och aluminium.
Nu har ett svensk-tyskt forskarteam lyckats med hittat en teknik som fungerar.
– Vi har tagit ut fibriller från naturliga cellulosafibrer. Sedan har vi har satt ihop fibrillerna igen till en mycket stark tråd. Den är cirka 10 - 20 mikrometer tjock, ungefär som ett hårstrå, säger Fredrik Lundell, docent i strömningsfysik vid Wallenberg Wood Science Center vid KTH och en av forskarna som varit involverade i arbetet.
Han tillägger att till skillnad från befintliga processer att göra trådar av cellulosa, till exempel viskos, är sammansättningsprocessen mycket miljövänlig och långsiktigt hållbar. Förutom fibrillerna har forskarna använt natriumklorid, det vill säga vanligt hederligt bordssalt för att fixera de strömningsmekaniskt orienterade fibrillerna vid varandra. Utan saltet skulle inte de slutliga fibrerna få samma goda styrkeegenskaper.
Fredrik Lundell fortsätter med att berätta att cellulosa är den vanligaste organiska substansen i naturen och ett träd till största delen består av cellulosamolekyler som minsta beståndsdel. I trädet sitter dessa molekyler ihop i fibrillerna som sedan, i sin tur, bildar träfibrerna. Dessa är millimeterlånga det finns upp emot 40 miljoner fibriller i en enskild fiber. Det han och de andra KTH-forskarna alltså gjort är att utveckla en process som nyttjar mellansteget i träets uppbyggnad för att skapa nya material.
– Vi kan styra hur fibrillernas är ordnade i tråden. Om de är upplinjerade med trådriktningen blir materialet styvt och starkt. Är de inte fullt lika upplinjerade leder detta till ett material som är mer elastiskt. Det är också så här träd är funtade. De kan ömsom vara styva, ömsom elastiska, för att till exempel klara av att det blåser utan att knäckas. När träd växer ändras fibrillvinkel på olika ställen i stammen så att trädet klarar alla påfrestningar, säger Fredrik Lundell.
Vad ska forskningsresultatet då användas till? Jo, exempelvis skulle material baserat på den nyfunna kunskapen kunna ersätta bomull. Varför, jo för att världen står inför problemet "Peak cotton", det vill säga att odlingen av bomull inte kan öka mer för bomullens krav på bevattning.
– Bomullsodling kräver stora mängder vatten. Ta till exempel Aralsjön, som mer eller mindre försvunnit som ett resultat av bomullsodlingen i Asien. Om vi ska ha ett 100 procent hållbart samhälle så krävs fler material som har en naturlig plats i naturens kretslopp, säger Fredrik Lundell.
Forskarkollegan Daniel Söderberg, som också varit med i forskningsprojektet, fyller i:
– Genom att arbeta med fibrillerna som komponent behåller vi den naturliga strukturen hos cellulosa. Det gör att materialet är 100 procent kompatibelt med naturen. Kor äter cellulosa samt döda träd, och växter bryts ner av naturliga processer, säger Daniel Söderberg, docent i strömningsfysik vid KTH.
Fredrik Lundell berättar att om de lyckas linjera upp fibrillerna än mer så blir material ännu starkare. Fullt i klass med glasfiber. Det gör att man kommer att kunna ersätta den glasfiber som används för armering av vindkåpor på lastbilar, båtars skrov och vindturbinblad. För att nämna några exempel.
– Vår forskning kan leda fram till ett nytt konstruktionsmaterial som kan användas överallt där man har komponenter baserade på glasfiber, och det är ganska många ställen. Den utmaning som vi står framför nu är att skala upp tillverkningsprocessen. Vi måste kunna göra långa trådar, många trådar parallellt och allt detta mycket snabbare än idag. Samtidigt har vi demonstrerat att vi vet hur detta skall gå till, så vi har kommit en god bit på väg, säger Fredrik Lundell.
Han tillägger att genom att manipulera nanostrukturen i tråden kan andra användningsområden uppenbara sig, till exempel kläder med inbyggd elektronik.
Daniel Söderberg tar vid.
– Många av dagens forskningsframsteg kommer som resultat av tvärvetenskapliga samarbeten. I vårt fall har teamet inom Wallenberg Wood Science Center bestått av forskare inom strömningsfysik och forskare inom fiber- och polymerteknik med professor Lars Wågberg i spetsen. Vi har sedan lyckats bygga upp ett bra samarbete med Dr Stephan Roth på DESY i Hamburg. Tillgången till avancerade mättekniker i deras synktronljusanläggning och deras kompetens har varit avgörande, säger Daniel Söderberg.
Forskningsresultatet är av sådan dignitet att det har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Nature Communications.
Arbetet har huvudsakligen genomförts vid Wallenberg Wood Science Center vid KTH men i samarbete med det tyska forskningscentrumet (DESY Deutsches Elektronen-Synchrotron, tyska elektronsynkrotronen).
