Chalmersforskare jagar nya material från skogen

Genomskinligt trä av nanocellulosa, brandresistent cellulosaskum till isolering och plastliknande barriärmaterial tillverkade av hemicellulosa – det är några exempel på nya, svenska materialkoncept baserade på träråvara som skapat rubriker under senare år. Biobaserade batterier och solceller och konstgjort ”trä” som kan 3D-printas är andra uppslag som kittlat fantasin. Mindre känt är kanske att de flesta av dessa idéer är resultatet av ett framsynt forskningsprogram, sjösatt för över tio år sedan: Wallenberg wood science center.

En forskningsutlysning på närmare en halv miljard kronor gjorde först Chalmers och KTH till konkurrenter. Men på initiativ av finansiären, Knut och Alice Wallenbergs stiftelse, blev de samarbetspartner. Redan flera år innan programmet löpte ut förra året skissades en fortsättning – inklusive uppskalning och breddning: För snart ett år sedan lanserades WWSC 2.0, som sträcker sig fram till 2028. Nu deltar även Linköpings universitet och dessutom är industrin med och finansierar, via forskningsplattformen Treesearch. Även Chalmersstiftelsen bidrar med forskningspengar. Totalt satsas över en miljard kronor på skogsrelaterad materialforskning under det kommande decenniet, med en tvärvetenskaplig bredd som sträcker sig över allt från bioteknologi till materialvetenskap och fysikalisk kemi.

Levererar viktig kompetens

Lisbeth Olsson, professor i industriell bioteknik, är viceföreståndare för WWSC och ansvarar för Chalmers forskning inom programmet. När hon lyfter fram vad forskningscentrumet hittills levererat, så är det inte i första hand de rubrikskapande nya materialen:
– Jag vill nog hävda att det viktigaste skogsindustrin fått ut av WWSC är kompetens. Många doktorander och postdocs från programmet har gått vidare till anställningar i industrin, säger Lisbeth Olsson.

Den ökade kunskapen kring grundläggande frågor har tydligt bidragit till att skogsindustrin i dag ser med mycket större tillförsikt på framtiden. När WWSC startade 2008 var forskningen enligt Lisbeth Olsson fortfarande väldigt traditionellt orienterad, med förankring i massa- och pappersindustrin.
– I dag definierar vi i stället vilka molekylära egenskaper materialen har. Vi diskuterar i helt andra termer. Så även om industrin i stort sett tillverkar samma papper, förpackningmaterial och hygienprodukter som för tio år sedan, så är det ett ”molekylärt” synsätt som gäller framöver.

Träets alla komponenter ska tas tillvara bättre

Det som driver utvecklingen är målen om ett mer hållbart samhälle och om en utfasning av de fossila råvarorna. Med detta miljötänk följer också ökade krav på materialeffektivitet och energieffektivitet. I längden duger det alltså inte – ens om man har en förnybar råvara – att förstöra eller elda upp potentiellt värdefulla beståndsdelar i veden. Vilket i stora drag är vad den traditionella massaindustrin i dag gör, i synnerhet med lignin. – En bärande idé inom WWSC är att bättre ta tillvara träets alla komponenter. Visionen är att skapa ett slags bioraffinaderi för material, säger Lisbeth Olsson.

Hittills har forskningen inriktats på dels nya sätt att använda cellulosan, exempelvis i form av nanocellulosa, dels att undersöka hur hemicellulosan skulle kunna komma till nytta. Som att utvinna polymerer ur den, för att skapa täta skikt eller som beståndsdel i kompositmaterial.
– I fortsättningen kommer vi även ägna kraft åt ligninet, som med sina aromatiska föreningar har en helt annan kemi. En idé är att karbonisera molekylerna för att ge dem elektriska egenskaper, berättar Lisbeth Olsson.

När hon inte är upptagen med att leda Chalmers samlade aktiviteter inom WWSC, som involverar fem olika institutioner och ett 15-tal forskare, lägger hon merparten av sin tid på den egna forskningen. Hon och hennes medarbetare undersöker hur enzymer och mikroorganismer kan utnyttjas för att separera och modifiera träets beståndsdelar – innan de sätts samman till nya material med nya, smarta egenskaper.

Vill förstå vad som händer på djupet

Vi lämnar kontoret och går en trappa ned till Industriell biotekniks laboratorium för en snabbtur bland petriskålar och jäsningskärl. Av ett 40-tal medarbetare här ägnar sig fem på heltid åt material från träråvara.

– Vi tittar mycket på hur olika svampar från skogen gör när de bryter ned veden. Vilka enzymer de använder. Vi kan också ”trixa” med enzymer, så att de till exempel åstadkommer en ytmodifiering i stället för att klippa av en bindning, berättar Lisbeth Olsson och tillägger att även värmetåliga träsvampar från vietnamesiska skogar undersöks.

– När vi hittar någon intressant förmåga, exempelvis hos en filamentös svamp, så kan vi med genteknik flytta över den förmågan till en bakterie eller jäst, som sedan kan producera samma enzym i större skala.

En svårighet med ett naturmaterial som trä är dess synnerligen heterogena och komplexa uppbyggnad. För att på djupet förstå vad som händer måste forskarna studera olika förlopp på många längdskalor samtidigt – från mikrometer ned till delar av en nanometer. Riktigt ned till den detaljnivån når inte Lisbeth Olsson och hennes kollegor i dag.
– Vi har en modell över hur vi tror att träet ser ut. Men vi vet inte riktigt säkert, förklarar hon.

Stor satsning öppnar nya möjligheter

Men snart öppnas nya möjligheter: Wallenbergstiftelsen och Treesearch satsar nämligen uppåt 200 miljoner kronor på att bygga och driva ett eget strålrör vid synkrotronljusanläggningen Max IV utanför Lund. Instrumentet, som får namnet Formax, kan liknas vid ett mycket kraftfullt röntgenmikroskop, specialbyggt just för trärelaterad materialforskning. Det kommer att vara klart för de första testexperimenten framåt 2021.

Men om forskarna nu identifierar ett antal potenta enzymer som skulle kunna bidra till innovativa biomaterial, hur tar sig dessa in i vedstrukturens innersta skrymslen? Ett möjligt svar ges ytterligare ett par våningar ned i kemibyggnaden, i en del av apparathallen där avdelningen Skogsindustriell kemiteknik har verksamhet. Här har forskarassistenten Tuve Mattsson och en av avdelningens doktorander just utfört en mild ångexplosion av en omgång träflis. Metoden i korthet: Blötlagd flis stängs in i ett tryckkärl, ånga pumpas in, varvid temperatur och tryck höjs kraftigt. Sedan öppnas plötsligt ventilen. Pang! Vatten inne i träet börjar koka, expanderar och spränger veden inifrån.

– För ögat är flisbiten sig ganska lik, den byter bara färg. Men tittar man på den i ett svepelektronmikroskop, så ser man tydligt att strukturen har öppnat sig, fast på en liten skala, berättar Tuve Mattsson.

– Vi vill inte bryta ned träet alltför mycket, då förlorar man i effektivitet både vad gäller material och energi.
Lisbeth Olsson fyller i: – Det här skulle kunna vara ett framtida processteg för att göra det möjligt att använda mildare, mer enzymatiska metoder i industrin. Sådana metoder är också en förutsättning för att kunna förverkliga en annan bärande tanke inom WWSC: att de nya materialen ska kunna recirkuleras utan att tappa i värde.
– Det är en stor utmaning för framtiden. När en produkt har tjänat ut ska man kunna plocka isär de olika materialkomponenterna och bygga samman dem på nytt, till något som har lika hög prestanda, betonar Lisbeth Olsson.
– Ska man lyckas med detta, så måste den tankegången finnas med redan från början.

Ur Chalmers Magasin nr 2
Text: Björn Forsman
Foto: Johan Bodell

De forskar inom WWSC Chalmers
Kemi och kemiteknik: Anette Larsson, Christian Müller, Gunnar Westman, Hans Theliander, Lars Nordstierna, Merima Hasani, Paul Gatenholm, Tiina Nypelö och Tuve Mattsson
Biologi och biovetenskap: Johan Larsbrink, Lisbeth Olsson
Fysik: Aleksandar Matic, Eva Olsson, Marianne Liebi
Industri och materialvetenskap: Roland Kádár
Mikroteknologi och nanovetenskap: Peter Enoksson

Läs mer: ”Kan få trä att växa i 3D efter önskad design”
Poröst, starkt och vridstyvt. Biomaterialet trä är fantastiskt. Nu har forskare inom Wallenberg wood science center lyckats utnyttja träets genetiska kod för att få en 3D-bioprinter att skriva ut cellulosa med cellstruktur och egenskaper liknande dem i naturligt trä. Men i helt nya former.
Läs hela nyhetsartikeln här: https://www.chalmers.se/sv/institutioner/chem/nyheter/Sidor/Härmar-ultrastrukturen-hos-trä-för-3D-printade-gröna-produkter-.aspx