Miljövänliga material av nanocellulosa

Pyttesmå cellulosafibrer står i fokus i biokompositlabbet på KTH. Wallenberg Scholar Lars Berglund och hans forskargrupp tar med nanoteknik fram material från trä och cellulosa med helt nya egenskaper. Nu vill han bland annat få större kunskap om hur materialens nedbrytbarhet kan kontrolleras.

Lars Berglund

Professor i trä och träkompositer

Wallenberg Scholar

Lärosäte:
KTH

Forskningsområde:
Nanomaterial från trä och nanocellulosa

– Vi försöker utveckla miljövänliga material, kompositer baserade på trä och nanocellulosa, som är både starka och lätta. Vi är även intresserade av att skapa material som är transparenta och böjliga, och som skulle kunna ersätta oljebaserad plast, säger Lars Berglund, som utöver sin egen forskning även leder forskningssamarbetet Wallenberg Wood Science Center, WWSC.

Ett av hans uppmärksammade material är just transparent trä, med potential att användas i solceller och fönster. Forskargruppen har också använt nanocellulosa för att skapa material som är lättare och starkare än stål och aluminium. Arbetet sker i nära samarbete med andra forskare inom WWSC.

I biokompositlabbet på KTH har forskarna en verktygslåda med kemiska och molekylära metoder till sin hjälp för att kunna förstå, kontrollera och modifiera fiberstrukturer på nanonivå. Det börjar med en kemisk massa av till exempel pappersfibrer från skogsindustrin. Med speciella enzymer får forskarna sedan fibrerna att falla sönder till enskilda nanofibriller. Det finns upp emot 40 miljoner fibriller i en cellulosafiber.

– Vattensuspensionen där fibrillerna simmar runt kan vi sedan använda för att göra till exempel nanopapper, kompositmaterial, skummaterial och geler. Att kontrollera strukturer på nanoskalan är väldigt svårt. Men nu vet vi att om vi lär oss hur man gör det kan vi åstadkomma helt nya egenskaper hos de här materialen, förklarar Lars Berglund.

”Scholarprojektet är unikt på det sättet att vi kan tänka väldigt långsiktigt och arbeta med grundläggande frågeställningar kring nanocellulosa och nanokompositer.”

I det femåriga projekt han driver som Wallenberg Scholar kommer han arbeta vidare med att förstå och kontrollera strukturen hos nanocellulosa.

– Det här projektet handlar främst om grundforskning och att arbeta långsiktigt för att nå vetenskapliga genombrott. Det ger oss också möjlighet att studera cellulosa i andra växter.

Modellering i nanoskala

I nanoskala uppstår helt andra fysiska fenomen och tillstånd än i den skala vi till vardags har omkring oss, där vi kan se och hantera material utan avancerade mikroskop.

– Ett material har ju ett spann av egenskaper som de kan uppnå. Genom nanoteknik kan vi använda de här väldigt små komponenterna i cellulosafibrerna och kontrollera nanostrukturerna, och på så vis vidga spannet. Vi kan antingen ge materialet nya egenskaper eller förbättra de egenskaper som det har.

I forskarnas kontorslandskap sitter en av postdoktorerna och gör simuleringar av cellulosafibriller i atomär skala på sin dator. Målet är att förstå nanostrukturer och fysiska egenskaper, till exempel hur fibrillerna löses upp i vatten. För att kunna göra detta krävs en kombination av modellering, simulering och experimentell polymerfysik.

– Tack vare det här projektanslaget kan vi ägna oss även åt teori och modellering, vilket är lite svårare att motivera i tillämpade projekt. Det gör att vi kan förstå cellulosa på ett mer grundläggande plan, säger Lars Berglund.

Det mesta av arbetet sker på KTH, men forskarna tar också hjälp av så kallat synktrontronljus för att studera nanostrukturerna i cellulosafibrillerna.

– Här kommer den nya synkrotronljusanläggningen MAX IV i Lund att bli en stor tillgång, säger Lars Berglund.

Miljövänlig drivkraft

Allmänhetens ökade miljöengagemang är en viktig drivkraft bakom de satsningar på nanocellulosa och nya biokompositmaterial som görs i Sverige och internationellt, enligt Lars Berglund.

– Man kan inte längre bortse från miljöproblemen, till exempel all plast i haven. Det finns idag en mycket stor efterfrågan på mer miljövänliga material och produkter.

Nanokompositernas nedbrytbarhet är en central frågeställning i projektet. Forskargruppen vill använda sina kemiska verktyg för att kunna kontrollera hur och när materialet ska brytas ned. I labbet testas olika koncept för att förstå mekanismer för vad som fungerar och inte.

– En utmaning vi har är att när cellulosa kombineras med andra material, till exempel polymerer eller plaster, då behöver även dessa vara miljövänliga. Vi behöver därför hantera helheten på ett tydligt sätt, hur de här materialen ska återvinnas är ett exempel, säger Lars Berglund.

Forskningsområdet kring nanocellulosa har vuxit kraftigt sedan Lars Berglund startade sin forskning på KTH i början av 2000-talet. Under den här tiden har även skogsindustrins intresse och engagemang ökat betydligt, och de här materialen har börjat bli kommersiellt gångbara.

– Numera är vetenskapsområdet gigantiskt. Det ställer nya krav på originalitet i det vi forskar om. En sak vi gör för att få nya idéer är att vi arbetar med kitin, motsvarigheten till cellulosa hos skaldjur och insekter. Där finns många likheter men också skillnader, vilket kan ge oss nya uppslag. För vår del handlar det mest om att förstå hur naturen skapar sina multifunktionella material, men kitin är även intressant till exempel för biomedicinska tillämpningar eftersom det kan ha antimikrobiella egenskaper.

Text: Susanne Rosén
Bild: Magnus Bergström