A colaboração, em escala, fornece a raison d'être para Pesquisa em árvore, uma ambiciosa iniciativa sueca de P&D que reúne um coorte de cientistas e engenheiros da academia, indústria e agências governamentais dentro de uma plataforma aberta de pesquisa focada na “bioeconomia do futuro”. Amplie um pouco e fica evidente que essa missão abrangente se traduz em uma missão de amplo escopo, que abrange ciência fundamental, inovação tecnológica e desenvolvimento de competências para realizar uma nova geração de materiais avançados da floresta.

Coletivamente, há mais de 510 pesquisadores (e 190 projetos) representados no consórcio Treesearch, com o trabalho dividido em quatro áreas temáticas: madeira e componentes de madeira (estrutura e modificação); biorrefinaria de materiais e sistemas químicos; fabricação de sistemas de materiais; e conceitos avançados de materiais (design e funcionalidade). “Uma das principais prioridades da Treesearch é ajudar nossos interessados ​​acadêmicos e industriais a acessar infraestruturas de pesquisa avançada em toda a Suécia”, explicou Daniel Söderberg, diretor da Treesearch e chefe do departamento de tecnologia de fibras e polímeros no Royal Institute of Technology (KTH), Estocolmo.

Igualmente importante, ele disse aos delegados neste verão Conferência Treesearch Insight em Lund, está “abrindo as portas para o suporte técnico especializado necessário para fazer o melhor uso dessas infraestruturas experimentais de ponta”. As instalações em questão vão desde o Centro Nacional de Microscopia Eletrônica de Alta Resolução (nCHERM) na Universidade de Lund (no sudoeste da Suécia canto) para o Laboratório de Microtomografia de Raios-X na Luleå University of Technology (a 1500 km de distância, no nordeste do país), além de uma extensa rede de centros de pesquisa especializados - entre eles o Centro de Ciências da Madeira Wallenberg e os votos de Institutos de Pesquisa da Suécia (ASCENDER).    

insights síncrotron

Um parceiro emblemático da Treesearch a esse respeito é o Instalação de radiação síncrotron MAX IV em Lund. Globalmente significativo, o MAX IV faz parte de um grupo de elite de fontes de raios-X em larga escala que está lançando luz sobre a estrutura e o comportamento da matéria no nível atômico e molecular em uma variedade de disciplinas fundamentais e aplicadas - de tecnologias de energia limpa a produtos farmacêuticos e de saúde, de biologia estrutural a ciência quântica e patrimônio cultural.

Em termos de blocos de construção principais, esta fonte de luz de quarta geração – que foi inaugurada em 2016 – consiste em um acelerador de elétrons linear mais anéis de armazenamento de elétrons de 1.5 e 3 GeV (com os dois anéis otimizados para a produção de raios-X moles e duros, respectivamente). Além de fornecer o feixe para uma instalação de pulso curto, o linac serve como um injetor de energia total para os dois anéis de armazenamento que, por sua vez, geram fótons de raios-X que são extraídos para experimentos do usuário em 16 linhas de luz especializadas.

A mais recente adição ao MAX IV, o Linha de luz ForMAX, aberto para experimentos de usuários em novembro de 2022 e é dedicado à pesquisa de materiais sustentáveis ​​à base de madeira da floresta (embora também apoie estudos de raios-X em outros materiais complexos, como alimentos, têxteis e ossos). A colaboração está mais uma vez na frente e no centro, com os custos de construção de 100 milhões de coroas suecas (£ 7.5 milhões) do ForMAX financiados pelo Fundação Knut e Alice Wallenberg (uma organização filantrópica sueca que apoia a pesquisa científica), enquanto o orçamento operacional de 80 milhões de coroas suecas ao longo de 10 anos é coberto por parceiros comerciais (principalmente empresas da indústria de celulose e papel). O tempo de transmissão do ForMAX é alocado de acordo, com 50% dos experimentos a serem conduzidos por membros da Treesearch e o restante oferecido por meio de chamadas abertas para a comunidade de pesquisa mais ampla.

“Através do ForMAX, a academia Treesearch e os parceiros da indústria têm um ponto de acesso dedicado ao ambiente de pesquisa do MAX IV”, explicou Söderberg. “Como tal, a linha de luz sustenta uma competência ampla e única na ciência síncrotron e, com o tempo, permitirá o desenvolvimento de produtos sustentáveis ​​à base de madeira para substituir os produtos plásticos atuais.”

Dentro da floresta

Em grande parte, o tempo de feixe ForMAX apoiará estudos fundamentais e aplicados em materiais à base de madeira, fornecendo no local caracterização estrutural de escalas de comprimento de nanômetros a milímetros, combinando imagens microtomográficas de raios-X de campo completo, espalhamento de raios-X de pequeno e grande ângulo (SWAXS) e imagens SWAXS de varredura em um único instrumento. Para contextualizar, o sistema de microtomografia ForMAX usa raios X incidentes para gerar seções transversais planares de uma amostra que pode ser usada para recriar um modelo 3D virtual (em escalas de comprimento de 1 mm até 1 mícron). A configuração do SWAXS, por outro lado, depende de dois detectores discretos para coletar espectros de raios-X espalhados de uma amostra em diferentes ângulos: WAXS fornecendo informações estruturais até a escala de 1 nm, com SAXS usado para estudos de matéria mole - de polímeros, colóides e conjuntos biológicos, por exemplo - até várias centenas de nm de tamanho.   

Essa versatilidade permitirá aos pesquisadores investigar a hierarquia estrutural e a natureza composta da madeira - desde a rede de fibras e estrutura celular em escala macroscópica, passando por montagens ordenadas da estrutura da matriz fibrilar e paredes celulares em escala nanoscópica, até a celulose que forma os blocos de construção (parcialmente) cristalinos no nível macromolecular. “O ForMAX melhorará nossa compreensão da complexa relação estrutura-função em materiais de base florestal e produtos alimentícios em várias escalas de comprimento”, disse Kim Nygård, gerente da linha de luz ForMAX, ao Treesearch Insight.

O ForMAX é um instrumento flexível que permite o estudo de materiais no local durante o processamento e em condições realistas

Kim Nygård, gerente da linha de luz ForMAX

Uma característica notável do ForMAX é a capacidade de imagem multimodal da linha de luz, combinando microtomografia de campo completo e SWAXS sequencialmente no mesmo experimento. “A alternância rápida e eficiente entre as configurações permite a coleta de dados de imagem e dispersão na mesma amostra”, observou Nygård. Em outras palavras: microtomografia de campo completo para fornecer ao usuário uma visão geral da estrutura 3D e das regiões de interesse, com SWAXS localizados usados ​​para investigar a estrutura e a orientação no nível nanoscópico (consulte também “Versátil por design: a estação experimental ForMAX”, abaixo).

“ForMAX é um instrumento científico flexível que também fornece a resolução temporal para estudar materiais no local durante o processamento e sob condições realistas, como temperatura ou pressão aplicadas”, acrescentou Nygård. Uma característica única é a capacidade RheoSWAXS da linha de luz, integrando um reômetro de última geração (fornecido pela Anton Paar, uma empresa austríaca de metrologia) com imagens de luz polarizada e SWAXS para estudar a dinâmica de orientação de amostras à base de madeira em uma variedade de escalas de comprimento e sob condições de cisalhamento estáveis ​​e oscilantes. Como os nanocristais de celulose alinhados ao cisalhamento exibem cor estrutural, tais estudos podem, por exemplo, abrir caminho para o uso de suspensões de celulose impressas em vez de tintas tradicionais em futuras embalagens de base biológica.   

Se preparando para brilhar

Embora o ForMAX esteja funcionando há pouco mais de seis meses, os primeiros parceiros da Treesearch já estão mostrando o caminho com suas execuções experimentais iniciais. Um caso em questão é uma colaboração indústria-acadêmica em embalagens de alimentos sustentáveis ​​à base de fibras envolvendo a gigante sueca de embalagens embalagem longa-vida e pesquisadores da Universidade Chalmers de Tecnologia in Gotemburgo.

Usando as técnicas de imagem SWAXS da ForMAX, Linnéa Björn, da Chalmers, e Eskil Andreasson, da Tetra Pak, contaram aos participantes do Treesearch Insight como a equipe conjunta – trabalhando em estreita colaboração com os cientistas da equipe da ForMAX – está estudando a nanoestrutura de materiais à base de fibra em um esforço para otimizar a composição e a fabricação de volume de canudos de papel.

Se isso parece um foco limitado, o imperativo comercial mais amplo é claro: embora haja uma demanda crescente do mercado por alternativas mais sustentáveis ​​às embalagens de plástico, fabricantes como a Tetra Pak devem garantir que os materiais à base de papel permaneçam seguros para alimentos, recicláveis ​​e duráveis ​​contra líquidos e umidade. Simplificando, a tarefa da equipe da Chalmers–Tetra Pak é entender a correlação entre molhar o canudo de papel com diferentes líquidos (água e suco de laranja, por exemplo), bem como o impacto dos tratamentos de processo na estrutura em nanoescala.

“Nosso primeiro experimento no ForMAX forneceu uma análise de como o material do canudo de papel responde a mudanças no ambiente em tempo real, bem como de como o canudo interage com diferentes tipos de líquidos sob condições rigorosas”, explicou Andreasson, especialista em tecnologia em modelagem virtual da Tetra Pak. “Esses insights serão aplicados para desenvolver os canudos de papel do futuro em nossas ferramentas de modelagem por computador, ajudando-nos a melhorar sua funcionalidade.” Outras colaborações da Tetra Pak já estão em andamento na ForMAX, incluindo o uso de Microtomografia de raios X 4D em tempo real para estudar os mecanismos de transporte de água em canudos de papel sustentáveis.

Podemos explorar a tecnologia síncrotron para otimizar nossos processos de fabricação ou aprimorar o entendimento fundamental de nossos produtos e seu desempenho

Christophe Barbier, gerente sênior de pesquisa, Billerud

A aplicação de raios-X síncrotron no desenvolvimento de produtos foi reforçada por Christophe Barbier, gerente sênior de pesquisa em física de papel da Billerud, fabricante sueca de celulose e papel que também é especializada em materiais de embalagem à base de fibra para alimentos, bebidas e aplicações médicas. “Podemos explorar a tecnologia síncrotron de várias maneiras”, explicou ele no Treesearch Insight. “Para otimizar nossos processos de fabricação, por exemplo, ou aprimorar a compreensão fundamental de nossos produtos e seu desempenho físico, bem como impulsionar a superioridade do produto e a diferenciação competitiva.”

Barbier e seus colegas há muito se converteram à “grande ciência” que viram de perto os benefícios das fontes de luz síncrotron. Anteriormente, a equipe reservou tempo de trave em Instalação PETRA III do DESY em Hamburgo, Alemanha, para estudar os fundamentos da fluência mecanossortiva (um efeito que pode fazer com que caixas de papelão empilhadas de produtos frescos, por exemplo, entortem inesperadamente devido à carga de tração quando a temperatura ambiente ou a umidade excedem certos limites).

“Decidimos estabelecer que as técnicas de dispersão de raios-X baseadas em síncrotron podem detectar os efeitos da fluência mecanossortiva na ultraestrutura das fibras de celulose”, observou Barbier. “Os resultados são suficientemente encorajadores para justificar as investigações contínuas da SWAXS sobre o fenômeno e, esperamos, eventualmente desenvolver contramedidas apropriadas”.

Proximidade sendo o que é, Billerud também está se preparando para mais estudos na linha de luz ForMAX do MAX IV. Linhas de investigação atuais, em colaboração com o Laboratório de imagem 4D na Universidade de Lund, incluem o uso de microtomografia de raios-X para caracterizar embalagens “múltiplas” (compreendendo multicamadas ou materiais compósitos) e correlacionar suas propriedades em microescala versus desempenho a granel sob carga em máquinas formadoras.

“A Treesearch abre as portas para instalações de pesquisa em larga escala como o MAX IV”, concluiu Barbier. “Existe um enorme potencial para essas instalações abordarem as lacunas de conhecimento em muitas áreas relacionadas a materiais florestais e produtos sustentáveis.”

Para mais informações, os leitores podem acessar online os resumos dos pôsteres do Treesearch Insight, incluindo estudos de pesquisa sobre materiais inteligentes de base biológica para tratamento de água; um portátil Scanner de tomografia de luz baseado em Raspberry Pi para uso educacional e científico; e técnicas síncrotron como ferramenta para investigar o processo de polpação de madeira.

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