대규모 협업은 다음을 제공합니다. 존재 이유 for 트리서치, 여러 분야를 아우르는 야심찬 스웨덴 R&D 이니셔티브 "미래 바이오경제"에 초점을 맞춘 개방형 연구 플랫폼 내에서 학계, 산업계 및 정부 기관의 과학자 및 엔지니어 코호트. 조금만 확대하면 이 중요한 임무가 숲에서 새로운 세대의 고급 재료를 실현하기 위해 기초 과학, 기술 혁신 및 역량 구축을 포괄하는 광범위한 임무로 해석된다는 것이 분명합니다.

총체적으로 Treesearch 컨소시엄에는 510명 이상의 연구원(및 190개 프로젝트)이 있으며 작업은 목재 및 목재 구성 요소(구조 및 수정); 재료 및 화학 시스템용 바이오리파이너리; 재료 시스템 제작; 고급 재료 개념(디자인 및 기능). "Treesearch의 핵심 우선 순위 중 하나는 우리의 학계 및 산업 이해 관계자가 스웨덴 전역의 고급 연구 인프라에 액세스할 수 있도록 돕는 것입니다."라고 Treesearch 이사이자 섬유 및 고분자 기술과 스톡홀름 왕립공과대학(KTH)에서

마찬가지로 중요하다고 그는 이번 여름 회의에서 대표들에게 말했습니다. 트리서치 인사이트 컨퍼런스 Lund에서 "최첨단 실험 인프라를 최대한 활용하는 데 필요한 전문 기술 지원의 문을 여는 것"입니다. 해당 시설은 국립고해상도전자현미경센터 (nCHERM) Lund University(스웨덴 남서부 코너)에 X선현미경단층촬영 연구실 Luleå University of Technology(국가 북동쪽으로 1500km 떨어져 있음)와 그 사이에 광범위한 전문 연구 허브 네트워크가 있습니다. Wallenberg 목재 과학 센터 그리고 스웨덴 연구소 (증가).    

싱크로트론 인사이트

이와 관련하여 대표적인 Treesearch 파트너는 MAX IV 싱크로트론 방사선 시설 룬드에서. 세계적으로 중요한 MAX IV는 청정 에너지 기술에서 제약 및 의료, 구조 생물학에서 양자 과학 및 문화 유산에 이르기까지 다양한 기본 및 응용 분야에 걸쳐 원자 및 분자 수준에서 물질의 구조와 동작을 밝히는 대규모 X선 소스의 엘리트 간부 중 하나입니다.

핵심 빌딩 블록 측면에서 2016년에 개시된 이 1.5세대 광원은 선형 전자 가속기와 3 및 16 GeV 전자 저장 링으로 구성됩니다(각각 소프트 및 하드 X-레이 생성에 최적화된 두 개의 링 포함). 짧은 펄스 시설에 빔을 전달할 뿐만 아니라 선형가속기는 XNUMX개의 전문 빔라인에서 사용자 실험을 위해 추출되는 X선 광자를 생성하는 두 개의 저장 링에 대한 전체 에너지 주입기 역할을 합니다.

MAX IV에 가장 최근에 추가된 ForMAX 빔라인, 2022년 100월 사용자 실험을 위해 개방되었으며 숲에서 지속 가능한 목재 기반 재료에 대한 연구에 전념하고 있습니다(음식, 직물 및 뼈와 같은 다른 복합 재료에 대한 X-레이 연구도 지원할 예정임). ForMAX의 건설 비용 7.5억 SEK(XNUMX만 파운드)는 크누트와 앨리스 발렌버그 재단 (과학 연구를 지원하는 스웨덴 자선 단체), 80년 동안 10천만 SEK의 운영 예산은 상업 파트너(주로 펄프 및 제지 산업의 회사)가 충당합니다. 이에 따라 ForMAX 빔 타임이 할당되며 실험의 50%는 Treesearch 회원이 수행하고 나머지는 공개 모집을 통해 더 넓은 연구 커뮤니티에 제공됩니다.

"ForMAX를 통해 Treesearch 학계 및 산업 파트너는 MAX IV 연구 환경에 대한 전용 액세스 포인트를 갖게 됩니다."라고 Söderberg는 설명했습니다. "따라서 빔라인은 싱크로트론 과학의 광범위하고 고유한 역량을 뒷받침하며 시간이 지남에 따라 오늘날의 플라스틱 제품을 대체할 지속 가능한 목재 기반 제품의 개발을 가능하게 할 것입니다."

숲 속으로

대부분의 경우 ForMAX 빔 시간은 목재 기반 재료에 대한 기본 및 응용 연구를 지원하여 다음을 제공합니다. 원위치 전체 필드 X-선 마이크로단층 촬영 이미징, SWAXS(소각 및 광각 X-선 산란) 및 스캐닝 SWAXS 이미징을 단일 장비에 결합하여 나노미터에서 밀리미터 길이 스케일까지의 구조적 특성 분석. 컨텍스트를 위해 ForMAX 마이크로단층촬영 시스템은 입사 X선을 사용하여 가상 3D 모델을 재생성하는 데 사용할 수 있는 샘플의 평면 단면을 생성합니다(1mm에서 1미크론까지의 길이 스케일). 반면에 SWAXS 설정은 서로 다른 각도에서 샘플에서 산란된 X선 스펙트럼을 수집하기 위해 두 개의 개별 검출기에 의존합니다. WAXS는 1nm 규모까지 구조 정보를 생성하고 SAXS는 예를 들어 최대 수백 nm 크기의 폴리머, 콜로이드 및 생물학적 어셈블리의 연질 물질 연구에 사용됩니다.   

이러한 다재다능함을 통해 연구자들은 거시적 규모의 섬유 네트워크 및 세포 구조에서 나노 규모의 피브릴 매트릭스 구조 및 세포벽의 정렬된 조립체를 거쳐 거대분자 수준에서 (부분적으로) 결정질 빌딩 블록을 형성하는 셀룰로오스에 이르기까지 목재의 구조적 계층 구조 및 복합 특성을 조사할 수 있습니다. ForMAX 빔라인 관리자인 Kim Nygård는 Treesearch Insight에 "ForMAX는 다양한 길이 스케일에 걸쳐 산림 기반 재료 및 식품의 복잡한 구조-기능 관계에 대한 이해를 향상시킬 것입니다."라고 말했습니다.

ForMAX는 재료 연구를 가능하게 하는 유연한 기기입니다. 현장 처리 중 및 실제 조건에서

Kim Nygård, ForMAX 빔라인 관리자

ForMAX의 주목할 만한 기능은 동일한 실험에서 전체 필드 마이크로단층촬영과 SWAXS를 순차적으로 결합하는 빔라인의 다중 모드 이미징 기능입니다. Nygård는 “셋업 간 빠르고 효율적인 전환을 통해 동일한 샘플에서 이미징 및 산란 데이터를 수집할 수 있습니다. 즉, 사용자에게 3D 구조 및 관심 영역에 대한 개요를 제공하기 위한 전체 필드 마이크로단층촬영, 국소화된 SWAXS를 사용하여 나노 수준에서 구조 및 방향을 조사하는 데 사용합니다(아래의 "다용도 설계: ForMAX 실험 스테이션" 참조).

“ForMAX는 자료를 연구하기 위한 시간적 해상도를 제공하는 유연한 과학 기기입니다. 현장 공정 중 그리고 적용된 온도 또는 압력과 같은 현실적인 조건에서”라고 Nygård는 덧붙였습니다. 고유한 기능은 최첨단 레오미터(에서 제공)를 통합하는 빔라인의 RheoSWAXS 기능입니다. 안톤 파르, 오스트리아 계측 회사)는 편광 이미징 및 SWAXS를 사용하여 다양한 길이 척도에 걸쳐 정상 및 진동 전단 조건에서 목재 기반 샘플의 방향 역학을 연구합니다. 전단 정렬된 셀룰로오스 나노 결정은 구조적 색상을 나타내기 때문에 이러한 연구는 예를 들어 미래의 바이오 기반 포장에서 전통적인 잉크 대신 인쇄된 셀룰로오스 현탁액을 사용할 수 있는 길을 열어줄 수 있습니다.   

빛날 준비

ForMAX가 가동된 지 XNUMX개월이 조금 넘었지만 조기 채택한 Treesearch 파트너는 이미 초기 실험 실행을 통해 방법을 보여주고 있습니다. 적절한 사례는 섬유 기반의 지속 가능한 식품 포장에 대한 산학 협력입니다. 테트라 팩 및 연구원 Chalmers University of Technology in 예테보리.

ForMAX의 SWAXS 이미징 기술을 사용하여 Chalmers의 Linnéa Björn과 Tetra Pak의 Eskil Andreasson은 Treesearch Insight 참석자들에게 ForMAX 직원 과학자들과 긴밀히 협력하는 합동 팀이 종이 빨대의 구성과 대량 제조를 최적화하기 위한 노력의 일환으로 섬유 기반 재료의 나노 구조를 연구하는 방법에 대해 말했습니다.

그것이 좁은 초점처럼 보인다면 더 넓은 상업적 의무는 분명합니다. 플라스틱 포장에 대한 보다 지속 가능한 대안에 대한 시장 수요가 증가하는 동안 Tetra Pak과 같은 제조업체는 종이 기반 재료가 식품에 안전하고 재활용 가능하며 액체 및 습기에 대한 내구성을 유지하도록 해야 합니다. 간단히 말해서, Chalmers-Tetra Pak 팀의 과제는 종이 빨대가 서로 다른 액체(예: 물과 오렌지 주스)에 젖는 것과 공정 처리가 나노스케일 구조에 미치는 영향 사이의 상관관계를 이해하는 것입니다.

Tetra Pak의 가상 모델링 기술 전문가인 Andreasson은 "ForMAX에서의 첫 번째 실험에서는 종이 빨대가 실시간으로 환경 변화에 어떻게 반응하는지 뿐만 아니라 빨대가 엄격한 조건에서 다양한 유형의 액체와 상호 작용하는 방식에 대한 분석을 제공했습니다."라고 설명했습니다. "이러한 통찰력은 컴퓨터 모델링 도구에서 미래의 종이 빨대를 개발하는 데 적용되어 기능을 개선하는 데 도움이 될 것입니다." 추가 Tetra Pak 협력은 이미 ForMAX에서 진행 중입니다. 지속 가능한 종이 빨대의 물 수송 메커니즘을 연구하기 위한 실시간 4D X선 마이크로단층 촬영.

싱크로트론 기술을 활용하여 제조 공정을 최적화하거나 근본적인 이해를 향상시킬 수 있습니다. 우리 제품의 그리고 그들의 성과

Christophe Barbier, 수석 연구 관리자, Billerud

제품 개발에서 싱크로트론 X선의 적용은 음식, 음료 및 의료 응용 분야를 위한 섬유 기반 포장재를 전문으로 하는 스웨덴 펄프 및 종이 제조업체인 Billerud의 종이 물리학 선임 연구 관리자인 Christophe Barbier에 의해 강화되었습니다. "우리는 여러 가지 방법으로 싱크로트론 기술을 활용할 수 있습니다."라고 Treesearch Insight에서 설명했습니다. "예를 들어, 제조 공정을 최적화하거나 제품 및 물리적 성능에 대한 근본적인 이해를 강화하고 제품 우수성과 경쟁 차별화를 추진하기 위해."

Barbier와 그의 동료들은 싱크로트론 광원의 이점을 가까이서 본 "빅 사이언스"로 오랫동안 전향한 사람들입니다. 이전에 팀은 다음에서 빔 시간을 예약했습니다. DESY의 PETRA III 시설 독일 함부르크에서 기계 흡착 크리프(신선한 농산물의 쌓인 판지 상자를 볼 수 있는 효과, 예를 들어 주변 창고 온도 또는 습도가 특정 한계를 초과할 때 인장 하중으로 인해 예기치 않게 구부러지는 것을 볼 수 있는 효과)를 연구합니다.

Barbier는 "우리는 싱크로트론 기반 X선 산란 기술이 펄프 섬유의 초미세 구조에 대한 기계 흡착 크리프의 영향을 감지할 수 있음을 확립하기 시작했습니다."라고 말했습니다. "결과는 현상에 대한 SWAXS의 지속적인 조사를 보장하기에 충분히 고무적이며 결국 적절한 대응책을 개발하기를 바랍니다."

근접성이 무엇인지, Billerud는 MAX IV의 ForMAX 빔라인에서 추가 연구를 준비하고 있습니다. 현재 문의 사항은 4D이미징 연구실 Lund 대학에서는 "다층" 패키징(다층 또는 복합 재료 포함)을 특성화하고 성형 기계에서 로드 하에서 마이크로스케일 특성과 벌크 성능을 상호 연관시키기 위해 X선 마이크로단층촬영을 사용하는 것을 포함합니다.

"Treesearch는 MAX IV와 같은 대규모 연구 시설에 대한 우리의 문을 여는 도구입니다."라고 Barbier는 결론을 내렸습니다. "임산물 및 지속 가능한 제품과 관련된 많은 분야에서 지식 격차를 해소할 수 있는 이러한 시설의 잠재력은 매우 큽니다."

자세한 내용은 독자가 다음에 대한 연구를 포함하여 온라인으로 Treesearch Insight 포스터 초록에 액세스할 수 있습니다. 수처리용 바이오 기반 스마트 소재; 휴대용 교육 및 과학용 라즈베리파이 기반 광단층 스캐너및 목재 펄프화 과정을 조사하기 위한 도구로서의 싱크로트론 기술.

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• 출처: https://physicsworld.com/a/how-treesearch-is-studying-the-secrets-of-forest-materials-with-synchrotron-science/