
Många naturmaterial, till exempel träbaserade system, får unika egenskaper genom att vara hierarkiskt uppbyggda över flera längdskalor. Genom att kombinera flera avancerade tekniker har nu en forskargrupp från Chalmers och MAX IV-laboratoriet utvecklat en metod som möjliggör en aldrig tidigare skådad inblick i dessa strukturer i strömning. Metoden öppnar stora möjligheter för avancerad materialdesign.
Många naturmaterial, till exempel material baserade på trä, får sina unika egenskaper från att de är hierarkiskt uppbyggda över flera längdskalor. Naturen har utvecklats för att skapa hierarkiska material bestående av strukturer som sträcker sig över ett brett spektrum av dimensioner, från molekylär till makroskopisk organisation. Ett vanligt exempel är trä, som byggs upp av flera olika lager av strukturer. Cellulosakedjor buntar ihop sig till fibriller och bildar fibrer som bygger cellväggar och trävävnad och slutligen skapar hela trädet. Den hierarkiska strukturen ger träet utmärkta mekaniska egenskaper och lätthet eftersom materialet inte är homogent.
Genom att undersöka naturmaterial vill forskarna återskapa liknande hierarkier i syntetiska material, men på en bråkdel av den tid det tar för naturen att göra det.
En av de viktigaste parametrarna
Den nya metoden som utvecklats av forskare vid Chalmers och MAX IV-laboratoriet gör det möjligt att observera hur hierarkiska material beter sig under flödesförhållanden – på flera längdskalor samtidigt.
– Tidigare kunde vi bara observera en skala i taget, vilket innebar att vi förlorade samtidighet och viktiga detaljer om hur de olika lagren orienterar sig i förhållande till varandra, säger Roland Kádár, professor i reologi vid institutionen för industri- och materialvetenskap.
Den nya metoden, som kallas Rheo-PLI-SAXS, kombinerar tre tekniker: reologi, polariserad ljusavbildning och röntgenspridning med liten vinkel, den senare med synkrotronljusexperiment. Metoden gör det möjligt för forskare att undersöka material under flödesförhållanden, särskilt vid enkel skjuvning – en typ av deformation där parallella lager av material glider förbi varandra.
Möjligheten att studera flera längdskalor samtidigt banar väg för betydande möjligheter inom materialvetenskap.
– För första gången kan vi bestämma hur orienteringen, som är en av de viktigaste parametrarna för materialegenskaper, fortplantar sig över nano- makrolängdsskalor i hierarkin, säger Roland Kádár.
Unika möjligheter vid storskaliga anläggningar
Samarbetet med MAX IV-laboratoriet i Lund har gett en unik miljö för att utveckla nya tekniker och har varit en central förutsättning för utvecklingen av Rheo-PLI-SAXS-metoden, enligt Roland Kádár.
– MAX IV-laboratoriet har gått i bräschen för moderniseringen av synkrotronljusanläggningar genom att tillhandahålla röntgenstrålar av högsta kvalitet för forskning. Det betyder att vi har kunnat designa helt nya experiment som drar nytta av de nya möjligheterna, säger han.
Inom ramen för detta har Chalmers och MAX IV-laboratoriet inlett ett samarbete för att utveckla så kallade testmiljöer, som gör det möjligt för forskare att testa material under kontrollerade former som till exempel kan efterlikna verkliga miljöer.
– Nya och innovativa testmiljöer är avgörande för att ge nya insikter om materia på nanoskala, säger Ann Terry, gruppchef för CoSAXS-strålröret vid MAX IV-laboratoriet.
– Vårt ForMAX-strålrör har utformats speciellt för att tillhandahålla flerskaliga och multimodala analysmetoder för material från trä, säger Kim Nygård, gruppchef för ForMAX-strålröret vid MAX IV-laboratoriet.
Samarbetet mellan Chalmers och MAX IV-laboratoriet, med stöd av Chalmersstiftelsen, har utvecklats till ett Science Initiative vid MAX IV-laboratoriet genom vilket gruppen vill fortsätta metodutvecklingsarbetet för att få en ännu djupare förståelse för hur material beter sig över flera skalor.
Det fortsatta arbetet har varit en del av FibRe Vinnova Competence Centre och Wallenberg Wood Science Centre, med ytterligare stöd från Chalmers styrkeområden Materialvetenskap, Produktion och Nano.
Roland Kádár lyfter fram den betydande ansträngning och det samarbete som krävs för sådana krävande experiment.
– Jag är mycket tacksam för det arbete som två generationer studenter har utfört, som har bidragit till den här utvecklingen, säger han.
Rheo-PLI-SAXS-metoden i korthet
Rheo-PLI-SAXS-metoden kombinerar tre avancerade tekniker: reologi, polariserad ljusavbildning och röntgenspridning i liten vinkel. Reologi studerar hur material flödar och deformeras under en applicerad spänning eller deformation. Det är en analytisk teknik som kan användas för att karakterisera den strukturella utvecklingen av material i flöde. Polariserad ljusavbildning (PLI) är en teknik som använder visuellt ljus för att undersöka inriktningen och orienteringen av ett materials inre strukturer. Small-angle X-ray Scattering (SAXS) studerar strukturer i nanoskala och avslöjar hur de minsta strukturella lagren av ett material beter sig.
Genom att använda dessa tekniker samtidigt ger Rheo-PLI-SAXS-metoden en unik nivå av insikt i hur lagren i ett hierarkiskt material beter sig och interagerar under flödesförhållanden, särskilt vid enkel skjuvning. Denna nya möjlighet kan bidra till en betydande förståelse för sambandet mellan ett materials struktur och dess egenskaper, vilket banar väg för att designa nya material med avancerade multifunktionella egenskaper.
Läs mer
- Läs artikeln "Propagation of orientation across lengthscales in sheared self-assembling hierarchical suspensions via Rheo-PLI-SAXS" i Advanced Science
- Läs mer om Science Initiative på MAX IV-laboratoriet
Relaterad forskning
Rheo-PLI-SAXS-metoden användes nyligen i en studie utförd vid University of Glasgow, publicerad i Nature Synthesis.
- Läs en nyhetsartikel om studien på MAX IV-laboratoriets webbplats
- Läs artikeln "Forging out-of-equilibrium supramolecular gels" i Nature Synthesis

- Biträdande professor, Konstruktionsmaterial, Industri- och materialvetenskap