Mineralinfunderede kompositter forbedrer træ indefra

Verden bliver i stigende grad bevidst om miljøet og bæredygtighed, hvilket fører til udvikling og brug af bio‑baserede kompositmaterialer.

Disse materialer betragtes som erstatning for traditionelle ikke‑fornybare syntetiske fibre som glas‑ og kulstofforstærkede kompositter samt materialer som stål og beton.

Markedet for biokompositter har vokset i løbet af det sidste årti, fra 4,46 milliarder dollars i 2016 til langt over 10 milliarder dollars i 2024. Det er forudsagt at nå omkring 215,62 milliarder dollars i 2034, efterhånden som teknologiske fremskridt accelererer markedsekspansionen, efterspørgslen efter letvægts‑ og højstyrkematerialer stiger, og regeringer verden over aktivt støtter udviklingen af avancerede biokompositter.

Alligevel har biokompositter mange fordele i forhold til deres konventionelle modparter, herunder CO₂‑neutralitet, høj sundhedssikkerhed, korrosionsbestandighed, termisk isolering, letvægt, lav densitet og mindre produktionsenergi.

Det betyder ikke, at biokompositmaterialer er uden udfordringer. De har faktisk mange ulemper såsom udvinding, forarbejdning, fremstilling, lav termisk stabilitet, dårlige elektriske egenskaber, brandfare, overflademodifikation og mere.

At tackle disse udfordringer og forbedre de mekaniske egenskaber af bio‑baserede kompositter betyder, at man studerer deres multiskala‑mekanik på grund af deres komplekse hierarkiske struktur.

I modsætning til konventionelle kompositter påvirkes egenskaberne af bio‑baserede kompositter af komponenternes arrangement på flere skalaer, ikke kun på det makroskopiske niveau.

For eksempel påvirkes træets mekaniske egenskaber af arrangementet af cellulose, lignin og andre komponenter på forskellige skalaer inden for cellevæggene og mellem cellerne.

Her analyserer multiskala‑mekanik materialets opførsel på forskellige niveauer. Dette omfatter nanoskal­en, som beskæftiger sig med interaktionerne mellem enkelte molekyler og nanopartikler. På mikroskalaen undersøges arrangementet af fibre, celler eller andre mikrokomponenter, mens mesoskal­en indebærer at studere, hvordan arrangementet af disse komponenter påvirker materialets samlede egenskaber. På den makroskopiske skala analyseres den samlede opførsel af kompositten, såsom dens stivhed.

Der pågår ledende forskning for at studere og forstå multiskala‑mekanikken i bio‑baserede kompositter, hvilket giver unikke indsigter i de underliggende struktur‑egenskabsrelationer.

Dette hjælper med at løse udfordringerne omkring styrke, holdbarhed, pålidelighed og bæredygtig produktion. På den måde får vi næste‑generations materialer, der er lette og robuste, med funktioner, der gør dem i stand til at tilpasse sig og reparere sig selv.

Banebrydende tilgange til træforbedring

Når det gælder bio‑baserede kompositter, har cellulose‑holdige materialer som træ fået betydelig interesse på grund af deres naturligt komplekse interne arkitektur. For ikke at nævne, at der hvert år produceres en enorm mængde (omkring 181,5 milliarder ton) træ globalt, hvilket udgør en af de største fornybare materialekilder.

Med mineralressourcer som kul, olie og naturgas, der udvindes i stadigt stigende hastighed og truer biosfæren, har studiet af træ‑nano‑ og mikrostrukturer intensiveret markant i det sidste årti.

Som forskere ved Kyoto University for nylig bemærkede:

“Hvis vi kan ‘se’ det, øjet ikke kan, kan vi forlænge levetiden for trækonstruktioner og forbedre bæredygtigheden i byggebranchen.”

Så teamet udviklede en effektiv metode¹ til at diagnosticere den næsten usynlige forringelse af træ, før skaden bliver uoprettelig. Til dette kombinerede de mellelinfrarød spektroskopi med maskinlæring for at teste kunstigt vejrbidte træbelægninger og belægninger indeholdende cellulose‑nanofibre for at forbedre deres holdbarhed.

Her blev partial least squares anvendt til at bygge en model, der forudsiger omfanget af forringelse, sammen med en genetisk algoritme for at identificere de mest informative infrarøde signaler.

“Vi blev overraskede over at finde ud af, at meget subtile kemiske ændringer – alt for små til at blive opdaget visuelt – kunne opfanges af infrarød spektroskopi og forudsiges af modellen.”

– Korresponderende forfatter Yoshikuni Teramoto

I mellemtiden valgte et forskerteam ved University of Maryland at genetisk modificere poppeltræer i stedet for at bruge kemikalier for at producere højtydende strukturelt træ. Ved hjælp af base‑redigering eliminerede de et nøglegen kaldet 4CL1, hvilket resulterede i poppeltræer med 12,8 % lavere ligninindhold end vilde poppeltræer.

I endnu en spændende undersøgelse brugte materialeforskere fra Rice University og Oak Ridge National Laboratory træaffald til at skabe en blæk, der kan bruges til at 3D‑printe træ‑lignende objekter.

Denne forskning brugte kasseret materiale fra træbearbejdning, som først blev hakket til fint støv og derefter blandet med kemikalier for at adskille lignin og cellulose. Disse to elementer blev yderligere nedbrudt til nanofibre og nanokrystaller, hvorefter de blev genforenet og tilsat vand for at skabe en ler‑lignende blanding.

Den resulterende blanding blev brugt som blæk i en 3D‑printer og derefter til at fremstille flere miniatureborde og -stole. Ved at anvende en frysetørringsmetode fjernes fugten fra produkterne, som derefter blev opvarmet til 180 °C for at smelte de to polymerer, hvilket resulterede i et træ‑lignende objekt.

Det færdige objekt viste sig at være seks gange så holdbart og tre gange så fleksibelt som dem fremstillet af originalt træ ved test. De lugtede endda som naturligt træ. Ved at manipulere trykprocessen kunne teamet også indarbejde træ‑lignende teksturer i deres produkter.

Klik her for at lære om det transparente træ, der kan erstatte plast.

Styrkelse af træ med nano‑jern

Midt i alle disse high‑tech tilgange er en anden lovende metode, der er omkostningseffektiv og skalerbar, blevet undersøgt for at styrke træ.

I denne nye undersøgelse gik forskere fra College of Engineering and Computer Science på Florida Atlantic University sammen med forskere fra University of Miami og Oak Ridge National Laboratory om at modificere egetræ med nanokrystallinsk ferrihydrit.

Ferrihydrit (Fh) er et udbredt vandholdigt jern‑oxyhydroxid‑mineral på jordens overflade, som er forløberen for de fleste jernoxider i jord. Det er et dårligt krystallinsk jern‑oxyhydroxid‑nanomineral, kendt for sin lille partikelstørrelse og store reaktive overfladeareal.

Ideen bag dette var at undersøge, om indarbejdning af hårde mineraler i træcellernes vægge på nanoskalaen ville gøre dem stærkere uden at gøre materialet dyrt, tungt eller uegnet for miljøet.

Selvom studier har undersøgt, hvordan behandlet træ præsterer på forskellige skalaer, er der ikke mange, og ingen har faktisk gjort hele stykker træ stærke ved at tilføre uorganiske mineraler direkte i deres cellevægge. Ifølge studiets seniorforfatter, Vivian Merk, Ph.D., som er assisterende professor ved FAU:

“Træ, ligesom mange naturlige materialer, har en kompleks struktur med forskellige lag og egenskaber på varierende skalaer. For virkelig at forstå, hvordan træ bærer belastninger og til sidst svigter, er det essentielt at undersøge det på tværs af disse forskellige niveauer.”

Så gik forskerne videre med at undersøge dette, med fokus på ringporøst træ. Denne type løvtræ kommer fra bredbladede træer såsom eg, valnød, kirsebær og ahorn, hvis træ har store, ringformede kar, der transporterer vand fra rødderne til bladene.

Forskerne brugte rød eg i deres undersøgelse, som er hjemmehørende i Nordamerika og anvendes til papirproduktion og diverse byggeformål.

Ved hjælp af en simpel kemisk reaktion indførte de en jernforbindelse i træet. Her blev jernnitrat blandet med kaliumhydroxid for at danne ferrihydrit.

Teamet studerede derefter kompositens mekaniske egenskaber på forskellige organisationsniveauer. Det viste, at en billig kemisk metode, der bruger nanokrystallinsk jern‑oxyhydroxid, kan forstærke træets små cellevægge, mens den kun tilføjer en lille ekstra vægt.

Selvom deponering af ferrihydrit‑nanopartikler inde i træets cellevægg blev resulteret i øget stivhed og hårdhed af den funktionaliserede sekundære cellevægg, forblev træets samlede opførsel uændret.

Således påvirkede øgningen af den interne strukturs holdbarhed ikke, hvordan træ bøjer eller brister. Dette kan skyldes, at behandlingen svækker forbindelserne mellem hver træcelle, hvilket påvirker materialets binding på et større skala.

Resultaterne antyder, at det er muligt at forbedre styrken af træ og andre plantebaserede materialer med den rette kemiske behandling, uden at øge vægten eller skade miljøet. Dette understreger potentialet for biomaterialer til at erstatte beton og stål i fremtiden.

Klik her for at lære, hvordan massivt træ hjælper med at bygge træskyskrabere.

Multiskala‑analyse af den bio‑baserede komposit

Da cellulære materialer som træ er højt organiserede, hierarkiske samlinger af belastningsbærende strukturelementer, der reagerer på mekaniske stimuli på mikroskopisk, mesoskopisk og makroskopisk skala, foretog teamet en detaljeret undersøgelse af mekanikken i bio‑baserede kompositter ved hjælp af forskellige metoder. Merk bemærkede:

“For at teste vores hypotese – at tilsætning af små mineralkrystaller til cellevæggene ville styrke dem – anvendte vi flere typer mekanisk testning både på nanoskalaen og den makroskopiske skala.”

Værktøjer, som forskerne brugte, inkluderer Atomic Force Microscopy (AFM), en kraftfuld teknik, der muliggør billeddannelse af næsten enhver overfladetype, herunder keramik, kompositter, polymerer, glas og biologiske prøver.

Ved brug af AFM analyserede teamet træet på en meget lille skala, hvilket gjorde dem i stand til at måle egenskaber som elasticitet og stivhed.

Især blev AM‑FM‑teknikken (Amplitude Modulation – Frequency Modulation) anvendt. Denne metode får AFM‑spidsen til at vibrere ved to forskellige frekvenser, hvor den ene genererer detaljerede overfladebilleder, mens den anden måler materialets elasticitet og klebrighed. Teknikken gav dem et præcist indblik i, hvordan cellevæggene ændrede sig, når de blev behandlet med mineraler.

Teamet udførte også nanoindenterings‑tests inden for et scanning‑elektronmikroskop (SEM), som producerer prøvebilleder ved at scanne overfladen med en fokuseret elektronstråle, der interagerer med atomer for at producere forskellige signaler med information om overfladens topografi og prøvens sammensætning.

Her trykkede forskerne små prober ind i træet for at beregne dets responskraft i forskellige områder.

For at samle det hele udførte de derefter standard mekaniske tests som bøjning af både behandlede og ubehandlede træprøver for at undersøge deres styrke og hvordan de brød under belastning.

“Ved at se på træ på forskellige niveauer – fra de mikroskopiske strukturer inde i cellevæggene helt op til hele træstykket – kunne vi lære mere om, hvordan man kemisk kan forbedre naturlige materialer til anvendelse i den virkelige verden.”

– Merk

Anvendelse af en kombination af små‑skala og stor‑skala test hjalp dem faktisk med at forstå, hvordan behandlingen påvirkede både de fine detaljer inde i cellevæggene og træets samlede styrke.

“Denne forskning markerer et betydeligt fremskridt inden for bæredygtig materialvidenskab og et meningsfuldt skridt mod miljøvenlig konstruktion og design.”

– Stella Batalama, Ph.D., dekan for College of Engineering and Computer Science

Hun bemærkede yderligere, at ved at bruge omkostningseffektive og miljøvenlige metoder til at forstærke naturligt træ, lægger denne undersøgelse grundlaget for næste generation af bio‑baserede materialer med potentiale til at erstatte traditionelle materialer i strukturelle anvendelser, såsom broer, bygninger, gulve og møbler. Hun tilføjede:

“Indvirkningen af dette arbejde rækker langt ud over ingeniørområdet – det bidrager til globale bestræbelser på at reducere CO₂‑udledninger, mindske affald og omfavne bæredygtige, natur‑inspirerede løsninger for alt fra bygninger til store infrastrukturer.”

Innovative virksomheder

1. Weyerhaeuser Company 

Hvis vi ser på fremtrædende innovatører inden for dette område, er Weyerhaeuser Company (WY ) en stor ejer af skovarealer og producent af træprodukter. Den ejer eller kontrollerer omkring 10,4 millioner acres af skovarealer i USA og forvalter yderligere skovarealer i Canada.

Virksomheden forvalter sine skovarealer på fuldt bæredygtig basis og har vist interesse for at udvikle bio‑baserede materialer. Med en markedsværdi på 18,79 milliarder dollars handles Weyerhaeuser‑aktier i øjeblikket til 25,80 dollars, ned 7,96 % år‑til‑dato. Den har en EPS (TTM) på 0,50, en P/E (TTM) på 51,70 og en ROE (TTM) på 3,71 % samt udbetaler et udbytte på 3,24 %.

Når det gælder finanserne, rapporterede Weyerhaeuser en nettofortjeneste på 396 millioner dollars i 2024 eller 54 cent per udvandet aktie. Nettoomsætningen for hele året var 7,1 milliarder dollars, ned 0,6 milliarder fra 2023. Stærke resultater blev leveret fra Natural Climate Solutions‑forretningen, som genererede 55 millioner dollars i driftsindtægt. Bemærkelsesværdigt er, at virksomheden fortsat er på vej til at nå 100 millioner dollars i justeret EBITDA inden udgangen af 2025.

“Vores præstation i 2024 afspejler solid udførelse på trods af et udfordrende markedsmiljø.”

– CEO Devin W. Stockfish

I denne periode blev 735 millioner dollars returneret som samlet kontant til aktionærerne, herunder 153 millioner dollars i aktietilbagekøb. For et par måneder siden annoncerede Weyerhaeuser også en 5 % stigning i sit basisudbytte. Det markerede det fjerde på hinanden følgende år, hvor virksomheden har øget sit kvartalsvise basisudbytte.

Med hensyn til andre udviklinger har Weyerhaeuser fået godkendelse til sit andet skov‑kulstofprojekt, annonceret en strategisk investering i opbygning af en ny facilitet for konstruerede træprodukter i Arkansas, og udvidet sin Southern Timberlands‑portefølje med strategiske transaktioner i Alabama.

“Når vi går ind i 2025, er vores balance stærk, og vi er godt positioneret til at udnytte forbedrede markedsforhold. Vi forbliver fokuserede på at nå vores flerårige mål, betjene vores kunder og skabe langsigtet værdi for vores aktionærer.”

– Stockfish

Resultaterne for Q1 2025 viser faktisk dette med en nettofortjeneste på 83 millioner dollars, eller 0,11 dollars per udvandet aktie, på en nettoomsætning på 1,8 milliarder dollars.

I denne periode registrerede Timberland‑segmentet moderat højere gebyrhøst og indenlandske salgsvolumener i vest, mens eksportsalgsvolumenerne var lidt lavere, især til Kina. I segmentet for fast ejendom, energi og naturressourcer faldt antallet af solgte acres, men gennemsnitsprisen per acre var meget højere. Salgsrealisationerne for trælast steg, mens logomkostningerne var moderat højere. Salgsvolumenerne for konstruerede træprodukter var derimod lavere, og enhedens produktionsomkostninger steg.

2. 3M Company

Endnu et fremtrædende navn inden for området er 3M Company (MMM ), som er involveret i forskning og udvikling af avancerede materialer, herunder nanokompositter og bio‑baserede systemer.

Dette diversificerede teknologifirma har en markedsværdi på 74,75 milliarder dollars, med aktier der handles til 138,91 dollars, op 7,61 % år‑til‑dato. Det har en EPS (TTM) på 8,02, en P/E (TTM) på 17,31 og en ROE (TTM) på 94,75 % samt udbetaler et udbytte på 2,10 %.

3M‑aktierne steg, efter at virksomheden fastholdt sin helårs‑finansielle vejledning på trods af told og handelskrig, der præsenterer nye risici. Virksomheden drager faktisk fordel af at have 90 dages lager. Dog anerkendte den risiciene og skitserede strategier for at håndtere det turbulente forretningsmiljø, herunder optimering af sit netværk, flytning af produktion til andre lande og eventuelt pålæggelse af tillæg på visse kunder.

Netop denne måned sagde CEO Bill Brown, at de har “et meget, meget stort amerikansk fodaftryk” og “ser meget omhyggeligt” på at bringe mere produktion hertil.

At have en portefølje af tusindvis af forbruger‑ og industriprodukter er det, der udsætter 3M for en bred del af økonomien. Som følge heraf faldt salget med 1 % i 1Q25 til 6 milliarder dollars, mens justeret indtjening per aktie fra fortsatte aktiviteter var 1,88 dollars, begge over forventningerne.

Dette kommer efter at have leveret tocifret indtjeningsvækst i 2024, hvor 3,8 milliarder dollars blev returneret til aktionærerne. For dette fulde år steg justeret EPS med 21 % år‑over‑år til 7,30 dollars, salget faldt med 0,1 % til 24,6 milliarder dollars, og cash fra driften udgjorde 1,8 milliarder dollars.

Konklusion

Et vigtigt naturressource, træ værdsættes for sin styrke, holdbarhed, bæredygtighed og overkommelighed. Det spiller også en central rolle i bio‑baserede kompositter som et fornybart og bæredygtigt materiale, der har potentiale til at erstatte konventionelle kompositter i forskellige anvendelser.

Her er den komplekse plantebiomasse, lignocellulose, vigtig, da den udgør den stive struktur i plantecellevæggene og muliggør, at træ kan integreres i kompositmaterialer. Denne afgørende trækomponent kan også kemisk modificeres for at skabe avancerede materialer.

Den seneste forskning har brugt det til at forbedre træets egenskaber, hvilket fremhæver hierarkisk struktureringens rolle i træets mekaniske ydeevne. Det viser, hvordan nanopartikel‑forstærkning på cellevæggsniveau kan forbedre stivheden, som bekræftet gennem nanoindentering og atomic force microscopy, uden at påvirke dets mekaniske egenskaber. Denne naturlige træforstærkning demonstrerer potentialet for avancerede bio‑baserede materialer, som kan føre til bæredygtig infrastruktur og en bedre fremtid.

Studier refereret:

1. Soini, S. A., Lalani, I., Maron, M. L., Gonzalez, D., Mahfuz, H., Domingo-Marimon, N., & Merk, V. (2025). Multiskala mekanisk karakterisering af mineralforstærkede træcellevægge. ACS Applied Materials & Interfaces, 2025. https://doi.org/10.1021/acsami.4c22384