Suomalaistutkijat ovat kartoittaneet ulkomaisten yliopistojen kanssa, miten kasvien biomassalla voidaan korvata uusiutumattomia luonnonvaroja optisissa sovelluksissa. Tutkija hakisivat lisäksi metsän sijaan raaka-ainetta elintarviketeollisuuden ja maatalouden sivuvirroista.
Sähköistyvä, digitalisoituva ja kaupungistuva maailma kuluttaa valtavasti ympäristön kannalta ongelmallisia raaka-aineita. Esimerkiksi lasiin tarvittavan erikoishiekan povataan loppuvan, ja lasin kierrättäminen puolestaan nielee paljon energiaa. Muovin rakennuspalikat tulevat öljyteollisuuden sivuvirroista.
Ratkaisu voi löytyä uusiutuvista raaka-aineista, uskovat Aalto-yliopiston sekä Turun, Tukholman ja Brittiläisen Kolumbian yliopiston (UBC) tutkijat.
Uudessa Advanced Materials -lehdessä julkaistussa tutkimuksessa he kartoittivat, miten lignoselluloosasta eli kasvien biomassasta voidaan pilkkomalla ja uudelleen kokoamalla saada materiaaleja optisiin eli valoa eri lailla hyödyntäviin ja ohjaaviin sovelluksiin.
”Tutkimuksen tarkoitus oli kartoittaa mahdollisimman kattavasti mahdollisuudet, joita lignoselluloosan komponenteilla on uusiutumattomien raaka-aineiden korvaajina”, kertoo toiminnallisten materiaalien apulaisprofessori Jaana Vapaavuori Aalto-yliopistosta.
Lignoselluloosa koostuu selluloosasta, hemiselluloosasta ja ligniinistä. Puiden lisäksi näitä komponentteja on vaihtelevissa määrin lähes kaikkien kasvien tukirakenteissa. Kun selluloosaa, hemiselluloosaa ja ligniiniä pilkotaan hyvin pieniksi osiksi ja kootaan sitten uudelleen, voidaan saada aikaan uusia, toiminnallisia materiaaleja.
Tutkijat kävivät artikkelissa läpi rakennuspalikoiden eri valmistustavat ja ominaisuudet, jotka ovat optisten sovellusten kannalta merkittäviä. Näitä ovat esimerkiksi läpinäkyvyys, heijastavuus, UV-valon suodatus ja rakenteelliset värit.
”Sopivasti yhdistelemällä niistä voidaan esimerkiksi saada valoon reagoivia pinnoitteita ikkunoihin, ja materiaaleja, jotka reagoivat tiettyyn kemikaaliin tai höyryyn. Tai UV-suojia, jotka imevät haitallisen säteilyn ja toimivat pinnoille ikään kuin aurinkorasvoina”, Jaana Vapaavuori selittää.
”Lignoselluloosaan voidaan lisätä toimintoja ja räätälöidä sitä paljon helpommin kuin lasia. Voimme tehdä siitä esimerkiksi aurinkokennoihin lasin korvikkeita, jotka edistävät valon imeytymistä ja näin kennon hyötysuhde saadaan paremmaksi kuin perinteisellä lasilla”, kertoo materiaalitekniikan professori Kati Miettunen Turun yliopistosta.
Biomassa on iso käyttämätön potentiaali, jota muodostuu maapallolla yli 180 miljardia tonnia vuodessa. Koska metsien biomassalle on jo kova kysyntä, ja maapallon hiilinielujen kasvattaminen on tärkeää, tutkijat korostavat muiden raaka-ainelähteiden mahdollisuuksia. Esimerkiksi vuosittain syntyy vuosittain yli miljardi tonnia biomassaa sisältävää jätettä, erityisesti elintarviketeollisuudessa ja maataloudessa.
Tällä hetkellä biopohjaiset optiset materiaalit ovat vielä perustutkimuksen ja prototyyppien asteella. Aalto-ylipistossa on kehitetty esimerkiksi valokuituja ja valoon reagoivia kankaita. Tähän asti lignoselluloosapohjaisten innovaatioiden kehittämistä ja kaupallistamista on hidastanut valmistusmenetelmien hinta.
Toinen haaste on selluloosan ja veden kohtaaminen. ”Selluloosahan rakastaa vettä. Siksi siitä tehtyjen optisten materiaalien vakaus kosteissa oloissa on asia, jota tutkijat ympäri maailmaa yrittävät ratkaista”, kertoo apulaisprofessori Jaana Vapaavuori Aalto-yliopistosta.
Lisää: Plant-based Structures as an Opportunity to Engineer Optical Functions in next-generation Light Management -artikkeli Advanced Materials -lehdessä 26.10.2021 LINKKI).
Kuva: Nanosellulloosakomposiittikalvoja erilaisilla optisilla ominaisuuksilla. Kuva: Aalto-yliopisto