Onko puu ruskeaa, sinistä, keltaista vai läpinäkyvää? Tutkijat löysivät keinon tehdä puusta läpinäkyviä ja värikkäitä pinnoitteita

Aalto-yliopiston kemian tekniikan tutkijat ovat kehittäneet tavan tehdä yhdestä puun pääraaka-aineesta, eli helposti saatavilla olevasta ligniinistä, läpinäkyvää. Mullistavan keksinnön myötä ligniiniä voidaan käyttää optisissa sovelluksissa, kuten väriä muuttavissa kalvoissa ja toisaalta esimerkiksi huurtumisenestopinnoitteissa.

Keksintö perustuu äskettäin kehitettyyn menetelmään, jossa ohuet ligniinin nanohiukkaskalvot pysyvät läpinäkyvinä lasille levitettäessä.

Ligniini on polymeeri, jota on lähes kaikkien kasvien soluseinämissä. Puut ovat 20–30-prosenttisesti ligniiniä, joka on hyvin voimakas sideaine. Ligniini on myös tunnetusti ollut vaikeasti hyödynnettävissä, muun muassa koska se on väriltään ruskeaa, ja toisaalta taas rakenteeltaan heterogeenistä.

Ligniinin teolliset sovellukset ovatkin olleet harvassa, lämmöntuotantoa lukuun ottamatta. Nyt julkaistu tutkimus osoittaa kuitenkin, että tästä vajaakäytössä olevasta materiaalista voidaan saada jopa erittäin vaativia ja korkealle kehittyneitä keksintöjä.

Silmälasien ja autonikkunoiden kondensoitumisen estämiseen käytettävät huurtumisenestoaineet sisältävät useita erittäin myrkyllisiä ainesosia, joista yksi on esimerkiksi PFAS (per- ja polyfluoratut aineet). Niillä on monenlaisia erittäin haitallisia terveysvaikutuksia sekä ihmisille, eläimille että luonnolle. Ne ovat myös pysyviä synteettisiä kemikaaleja, eivätkä ne juuri hajoa luonnossa.

Jo aiemmin on tiedetty, että ligniinin nanohiukkaset voisivat olla vaihtoehto huurtumisenestopinnoitteiksi, jos hiukkasten valonhajonta olisi tasaisempaa ja ne olisivat vähemmän peittäviä.

”Optisten pinnoitteiden on oltava läpinäkyviä, mutta tähän mennessä jopa melko ohuet ligniinihiukkaskalvot ovat olleet näkyviä. Tiesimme, että pienet hiukkaset näyttävät vähemmän sameilta, joten halusin selvittää, voisinko tehdä läpinäkyviä hiukkaskalvoja tekemällä hiukkaskoon mahdollisimman pieneksi”, kertoo väitöskirjatutkija Alexander Henn.

”Käytimme asetyloitua, eli etikkahapolla käsiteltyä ligniiniä. Saimme myös aikaan paremman menetelmän ligniinin asetyloimiseen. Muokkaus saatiin aikaan muutamassa minuutissa vain 60 °C:n lämpötilassa, ja saanto oli hyvä”, Henn jatkaa.

Mahdollisuus valmistaa myös fotonikalvoja oli yllätys

Tutkimuksessa osoitettiin lisäksi menetelmä, jolla nanopartikkelien valon hajontaa voidaan käyttää myös fotonipinnoitteina säätämällä tarkasti pinnoitteen paksuutta, ja siten valon väriä ja absorptiota eri aallonpituuksilla. Nanohiukkasten avulla voitaisiin siis valmistaa monikerroksisia kalvoja, joilla on kirkkaat rakenteelliset värit. Tätä teknologiaa voitaisiin jatkossa hyödyntää useissa sovelluksissa, kuten heijastamattomissa pinnoitteissa, sensoreissa ja jopa autoissa.

”Asetyloidusta ligniinistä valmistamillani ligniinihiukkasilla oli melko yllättäviä ominaisuuksia, mikä teki tämän tutkimuksen loppuosasta hyvin mielenkiintoisen. Mahdollisuus valmistaa esimerkiksi fotonikalvoja tuli täytenä yllätyksenä”, Henn paljastaa.

Lyhyt reaktioaika ja suuri ligniinipitoisuus tekevät asetylointiprosessista teollisesti erittäin käyttökelpoisen.

”Ligniinipohjaiset tuotteet voisivat olla kaupallisesti arvokkaita ja samalla toimia hiilinieluina. Tämä auttaisi osaltaan lieventämään nykyistä fossiiliriippuvuutta ja vähentämään hiilidioksidipäästöjä”, toteaa professori Monika Österberg.

”Tutkimuksessa esitetyt, suurta lisäarvoa tuovat sovellukset ovat erittäin tärkeitä, kun haluamme edistää ligniinin hyödyntämistä. Samalla otamme harppauksen eteenpäin siitä, että ligniiniä käytetään yksinomaan lämmönlähteenä”, Österberg jatkaa.

”Tiimityön ansiosta tästä tutkimusta tuli monipuolisempaa ja tehokkaampaa. Yhdessä professori Pekka Oinaksen ja hänen ryhmänsä kanssa pystyimme sisällyttämään siihen myös teknistaloudellisia näkökulmia”, sanoo Alexander Henn.

Tutkimus on osa Suomen Akatemian rahoittamaa FinnCERES lippulaivaohjelmaa (Competence center for materials bioeconomy). Tutkimus on julkaistu äskettäin Chemical Engineering Journal -lehdessä.