Komposit yang Diinfus Mineral Meningkatkan Kayu dari Dalam

Dunia semakin sadar akan lingkungan dan keberlanjutan, yang mendorong pengembangan dan penggunaan material komposit berbasis bio.

Material ini dipandang sebagai pengganti serat sintetis tradisional yang tidak terbarukan seperti kaca dan komposit yang diperkuat karbon, serta material seperti baja dan beton.

Pasar biokomposit telah tumbuh selama dekade terakhir, meningkat dari $4,46 miliar pada 2016 menjadi jauh di atas $10 miliar pada 2024. diperkirakan akan mencapai sekitar $215,62 miliar pada 2034 seiring percepatan kemajuan teknologi, meningkatnya permintaan material ringan dan kuat, serta dukungan aktif pemerintah di seluruh dunia terhadap pengembangan biokomposit canggih.

Bagaimanapun, biokomposit memiliki banyak keunggulan dibandingkan dengan counterpart konvensionalnya, termasuk netralitas CO2, keamanan kesehatan tinggi, tahan korosi, isolasi termal, ringan, densitas rendah, dan konsumsi energi produksi yang lebih sedikit.

Namun bukan berarti material biokomposit tidak memiliki tantangan. Mereka sebenarnya menghadapi banyak kelemahan seperti ekstraksi, pemrosesan, manufaktur, stabilitas termal rendah, sifat listrik yang buruk, mudah terbakar, modifikasi permukaan, dan lain-lain.

Mengatasi tantangan ini dan meningkatkan sifat mekanik komposit berbasis bio berarti mempelajari mekanika multiskala mereka karena struktur hierarkis yang kompleks.

Berbeda dengan komposit konvensional, sifat komposit berbasis bio dipengaruhi oleh susunan komponen pada berbagai skala, bukan hanya pada tingkat makroskopik.

Misalnya, sifat mekanik kayu dipengaruhi oleh susunan selulosa, lignin, dan komponen lain pada skala yang berbeda di dalam dinding sel dan antar sel.

Di sini, mekanika multiskala menganalisis perilaku material pada tingkat yang berbeda. Ini mencakup nanoskal, yang menangani interaksi antara molekul individu dan nanopartikel. Pada mikroskal, susunan serat, sel, atau mikrokomponen lainnya diperiksa, sementara mesoskal melibatkan studi bagaimana susunan komponen ini memengaruhi sifat keseluruhan material. Pada skala makroskopik, perilaku keseluruhan komposit, seperti kekakuannya, dianalisis.

Penelitian eksekutif sedang berlangsung untuk mempelajari dan memahami mekanika multiskala komposit berbasis bio, memberikan wawasan unik tentang hubungan struktur-sifat yang mendasarinya.

Hal ini membantu mengatasi tantangan terkait kekuatan, daya tahan, keandalan, dan produksi berkelanjutan. Dengan demikian, kita akan memperoleh material generasi berikutnya yang ringan dan kuat, dengan fungsionalitas yang memungkinkan mereka beradaptasi dan memperbaiki diri.

Pendekatan Mutakhir dalam Peningkatan Kayu

Ketika berbicara tentang komposit berbasis bio, material yang mengandung selulosa seperti kayu telah menarik minat yang signifikan karena arsitektur internalnya yang secara alami kompleks. Belum lagi, jumlah kayu yang diproduksi secara global setiap tahun mencapai sekitar 181,5 miliar ton, menjadikannya salah satu sumber material terbarukan terbesar.

Dengan sumber daya mineral seperti batu bara, minyak, dan gas alam yang diekstraksi pada tingkat yang terus meningkat, yang mengancam biosfer, studi tentang nano dan mikrostruktur kayu khususnya telah meningkat tajam dalam dekade terakhir.

Jadi, tim ini tim menciptakan metode efektif untuk mendiagnosis kerusakan kayu yang hampir tidak terlihat sebelum kerusakan menjadi tidak dapat diperbaiki. Untuk ini, mereka menggabungkan spektroskopi inframerah tengah dengan pembelajaran mesin untuk menguji lapisan kayu yang terpapar cuaca secara artifisial dan lapisan yang mengandung nanofiber selulosa guna meningkatkan daya tahannya.

Di sini, metode partial least squares digunakan untuk membangun model yang memprediksi tingkat kerusakan, bersama dengan algoritma genetik untuk mengidentifikasi sinyal inframerah yang paling informatif.

“Kami terkejut menemukan bahwa perubahan kimia yang sangat halus—terlalu kecil untuk dideteksi secara visual—dapat ditangkap oleh spektroskopi inframerah dan diprediksi oleh model.”

– Penulis korespondensi Yoshikuni Teramoto

Sementara itu, tim peneliti di University of Maryland mengambil pendekatan memodifikasi secara genetik pohon poplar, alih-alih menggunakan bahan kimia, untuk menghasilkan kayu struktural berperforma tinggi. Dengan menggunakan penyuntingan basis, mereka menghilangkan gen kunci yang disebut 4CL1, menghasilkan poplar dengan kandungan lignin 12,8% lebih rendah dibandingkan poplar tipe liar.

Dalam studi menarik lainnya, ilmuwan material dari Rice University dan Oak Ridge National Laboratory menggunakan limbah kayu untuk membuat tinta yang dapat digunakan mencetak objek mirip kayu dengan teknologi 3D.

Penelitian ini menggunakan material bekas dari pengerjaan kayu, yang pertama-tama dipotong menjadi debu halus dan kemudian dicampur dengan bahan kimia untuk memisahkan lignin dan selulosa. Kedua elemen tersebut selanjutnya dipecah menjadi nanofiber dan nanokristal sebelum digabung kembali dan ditambahkan ke air untuk menciptakan campuran mirip tanah liat.

Campuran yang dihasilkan digunakan sebagai tinta dalam printer 3D dan kemudian dipakai untuk membuat beberapa meja dan kursi miniatur. Dengan menggunakan metode pembekuan‑kering, kelembaban produk dihilangkan, kemudian dipanaskan pada 180 derajat Celsius untuk menyatukan dua polimer, menghasilkan objek mirip kayu.

Objek selesai terbukti enam kali lebih tahan lama dan tiga kali lebih fleksibel dibandingkan yang dibuat dari kayu asli pada pengujian. Bahkan baunya menyerupai kayu alami. Dengan memanipulasi proses pencetakan, tim juga dapat memasukkan tekstur mirip kayu ke dalam produk mereka.

Klik di sini untuk mempelajari tentang kayu transparan yang dapat membantu menggantikan plastik.

Memperkuat Kayu dengan Nano Besi

Di tengah semua pendekatan berteknologi tinggi ini, metode menjanjikan lain yang berbiaya rendah dan dapat diskalakan telah dieksplorasi untuk memperkuat kayu.

Dalam studi baru ini, peneliti dari College of Engineering and Computer Science di Florida Atlantic University, bersama dengan peneliti dari University of Miami dan Oak Ridge National Laboratory, bekerja sama dan memodifikasi kayu ek dengan ferrihidrit nanokristalin.

Ferrihidrit (Fh) adalah mineral oksihidroksida besi hidrat yang tersebar luas di permukaan Bumi, yang merupakan prekursor bagi sebagian besar oksida besi di tanah. Ini adalah nanomineral oksihidroksida besi yang kristalnya buruk, dikenal karena ukuran partikel kecil dan luas permukaan reaktif yang besar.

Gagasan di balik ini adalah untuk mengetahui apakah menggabungkan mineral keras ke dalam dinding sel kayu pada skala nano dapat membuatnya lebih kuat tanpa menjadikan material tersebut mahal, berat, atau tidak ramah lingkungan.

Meskipun beberapa studi telah meneliti kinerja kayu yang diperlakukan pada berbagai skala, jumlahnya masih sedikit, dan belum ada yang benar‑benar membuat seluruh potongan kayu menjadi kuat dengan menambahkan mineral anorganik langsung ke dalam dinding selnya. Menurut penulis senior studi tersebut, Vivian Merk, Ph.D., yang merupakan asisten profesor di FAU:

“Kayu, seperti banyak material alami, memiliki struktur kompleks dengan lapisan dan fitur yang berbeda pada skala yang beragam. Untuk benar‑benar memahami bagaimana kayu menahan beban dan akhirnya gagal, penting untuk memeriksanya di berbagai tingkat tersebut.”

Jadi, para peneliti melanjutkan penyelidikan ini, dengan fokus pada kayu berpori cincin. Jenis kayu keras ini berasal dari pohon berdaun lebar seperti ek, kenari, ceri, dan maple, yang memiliki pembuluh besar berbentuk cincin untuk mengalirkan air dari akar ke daun.

Para peneliti menggunakan kayu ek merah dalam studi mereka, yang berasal dari Amerika Utara dan digunakan untuk produksi kertas serta berbagai keperluan konstruksi.

Dengan menggunakan reaksi kimia sederhana, mereka memperkenalkan senyawa besi ke dalam kayu. Di sini, nitrat besi dicampur dengan kalium hidroksida untuk menghasilkan ferrihidrit.

Tim kemudian mempelajari sifat mekanik komposit pada berbagai tingkat organisasi. Hasilnya menunjukkan bahwa metode kimia murah yang menggunakan oksihidroksida besi nanokristalin dapat memperkuat dinding sel kayu yang sangat kecil dengan menambahkan hanya sedikit berat tambahan.

Meskipun penempatan nanopartikel ferrihidrit di dalam dinding sel kayu menghasilkan peningkatan kekakuan dan kekerasan pada dinding sel sekunder yang difungsionalisasi, perilaku keseluruhan kayu tetap tidak berubah.

Jadi, peningkatan daya tahan struktur internal tidak memengaruhi cara kayu melengkung atau patah. Hal ini mungkin disebabkan oleh perlakuan yang melemahkan sambungan antar sel kayu, yang memengaruhi cara material terikat pada skala yang lebih besar.

Hasil tersebut menunjukkan bahwa memungkinkan untuk meningkatkan kekuatan kayu dan material berbasis tumbuhan lainnya dengan perlakuan kimia yang tepat, tanpa menambah berat atau merusak lingkungan. Ini menyoroti potensi bio-material untuk digunakan menggantikan beton dan baja di masa depan.

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana mass timber membantu membangun gedung pencakar langit kayu.

Analisis Multiskala Komposit Berbasis Bio

Mengingat bahwa material seluler seperti kayu sangat terorganisir, susunan hierarkis elemen struktural yang menahan beban yang merespon rangsangan mekanik pada skala mikroskopik, mesoskopik, dan makroskopik, tim melakukan pemeriksaan mendetail pada mekanika komposit berbasis bio menggunakan berbagai metode. Merk mencatat:

“Untuk menguji hipotesis kami – bahwa penambahan kristal mineral kecil ke dinding sel akan memperkuatnya – kami menggunakan beberapa jenis pengujian mekanik pada skala nano dan skala makroskopik.”

Alat yang digunakan peneliti meliputi Atomic Force Microscopy (AFM), teknik kuat yang memungkinkan pencitraan hampir semua jenis permukaan, termasuk keramik, komposit, polimer, kaca, dan sampel biologis.

Dengan menggunakan AFM, tim menganalisis kayu pada skala sangat kecil, memungkinkan mereka mengukur sifat seperti elastisitas dan kekakuan.

Secara khusus, teknik AM-FM (Amplitude Modulation – Frequency Modulation) digunakan. Metode ini menggetarkan tip AFM pada dua frekuensi berbeda, satu menghasilkan citra permukaan detail sementara yang lain mengukur elastisitas dan kekentalan material. Teknik ini memberi mereka pandangan tepat tentang bagaimana dinding sel berubah ketika diperlakukan dengan mineral.

Tim juga melakukan uji nanoindentasi dalam scanning electron microscope (SEM), yang menghasilkan gambar sampel dengan memindai permukaan menggunakan berkas elektron terfokus yang berinteraksi dengan atom untuk menghasilkan berbagai sinyal yang berisi informasi tentang topografi permukaan dan komposisi sampel.

Di sini, peneliti menekan probe kecil ke dalam kayu untuk menghitung gaya responsnya di berbagai area.

Sebagai penutup, mereka melakukan pengujian mekanik standar seperti membengkokkan sampel kayu yang diperlakukan dan tidak diperlakukan untuk memeriksa kekuatannya dan cara mereka patah di bawah beban.

“Dengan melihat kayu pada berbagai tingkat – dari struktur mikroskopik di dalam dinding sel hingga keseluruhan potongan kayu – kami dapat mempelajari lebih lanjut tentang cara meningkatkan material alami secara kimia untuk penggunaan dunia nyata.”

– Merk

Menggunakan kombinasi pengujian skala kecil dan besar sebenarnya membantu mereka memahami bagaimana perlakuan memengaruhi detail halus di dalam dinding sel serta kekuatan keseluruhan kayu.

“Penelitian ini menandai kemajuan signifikan dalam ilmu material berkelanjutan dan langkah berarti menuju konstruksi serta desain ramah lingkungan.”

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

Dia lebih lanjut mencatat bahwa dengan menggunakan metode yang hemat biaya dan ramah lingkungan untuk memperkuat kayu alami, studi ini meletakkan dasar bagi generasi berikutnya material berbasis bio dengan potensi menggantikan material tradisional dalam aplikasi struktural, seperti jembatan, bangunan, lantai, dan furnitur. Dia menambahkan:

“Dampak dari pekerjaan ini melampaui bidang teknik – ia berkontribusi pada upaya global mengurangi emisi karbon, mengurangi limbah, dan mengadopsi solusi berkelanjutan yang terinspirasi alam untuk segala hal mulai dari bangunan hingga infrastruktur berskala besar.”

Perusahaan Inovatif

1. Weyerhaeuser Company 

Sekarang, jika kita melihat inovator terkemuka di bidang ini, Weyerhaeuser Company (WY ) adalah pemilik hutan kayu besar dan produsen produk kayu. Perusahaan ini memiliki atau mengendalikan sekitar 10,4 juta hektar hutan di AS dan mengelola hutan tambahan di Kanada.

Perusahaan mengelola hutan secara sepenuhnya berkelanjutan dan tertarik mengembangkan material berbasis bio. Dengan kapitalisasi pasar $18,79 miliar, saham Weyerhaeuser saat ini diperdagangkan pada $25,80, turun 7,96% YTD. Memiliki EPS (TTM) 0,50, P/E (TTM) 51,70, dan ROE (TTM) 3,71% sambil membayar dividen sebesar 3,24%.

Mengenai keuangan, Weyerhaeuser melaporkan laba bersih $396 juta pada 2024 atau 54 sen per saham terdilusi. Penjualan bersih untuk tahun penuh sebesar $7,1 miliar, turun $0,6 miliar dari 2023. Hasil kuat datang dari bisnis Natural Climate Solutions, yang menghasilkan pendapatan operasional $55 juta. Secara mencolok, perusahaan tetap berada pada jalur untuk mencapai Adjusted EBITDA $100 juta pada akhir tahun 2025.

“Kinerja kami pada 2024 mencerminkan eksekusi yang solid di tengah tantangan pasar.”

– CEO Devin W. Stockfish

Selama periode ini, $735 juta dikembalikan dalam bentuk kas total kepada pemegang saham, termasuk $153 juta untuk pembelian kembali saham. Beberapa bulan lalu, Weyerhaeuser juga mengumumkan kenaikan 5% pada dividen dasarnya. Ini menandai tahun keempat berturut‑turut perusahaan meningkatkan dividen dasar kuartalannya.

Untuk perkembangan lainnya, Weyerhaeuser memperoleh persetujuan untuk proyek karbon hutan keduanya, mengumumkan investasi strategis untuk membangun fasilitas produk kayu rekayasa baru di Arkansas, dan memperkuat portofolio Southern Timberlands dengan transaksi strategis di Alabama.

“Memasuki 2025, neraca kami kuat, dan kami berada dalam posisi yang baik untuk memanfaatkan perbaikan kondisi pasar. Kami tetap fokus pada pencapaian target multi‑tahun, melayani pelanggan, dan mendorong nilai jangka panjang bagi pemegang saham kami.”

– Stockfish

Hasil Q1 2025 sebenarnya menunjukkan hal ini dengan laba bersih $83 juta, atau $0,11 per saham terdilusi, pada penjualan bersih $1,8 miliar.

Selama periode ini, segmen Timberland mencatat volume panen fee dan penjualan domestik yang agak lebih tinggi di Barat sementara volume penjualan ekspor sedikit lebih rendah, terutama ke China. Pada segmen real estat, energi, dan sumber daya alam, jumlah hektar yang terjual menurun, namun harga rata‑rata per hektar jauh lebih tinggi. Realisasi penjualan kayu meningkat sementara biaya balok sedikit lebih tinggi. Volume penjualan produk kayu rekayasa, di sisi lain, lebih rendah, dan biaya manufaktur per unit meningkat.

2. 3M Company

Nama terkemuka lain di bidang ini adalah 3M Company (MMM ), yang terlibat dalam riset dan pengembangan material canggih, termasuk nanokomposit dan sistem berbasis bio.

Perusahaan teknologi yang beragam ini memiliki kapitalisasi pasar $74,75 miliar, dengan sahamnya diperdagangkan pada $138,91, naik 7,61% tahun‑ke‑tahun. Memiliki EPS (TTM) 8,02, P/E (TTM) 17,31, dan ROE (TTM) 94,75% sambil membayar dividen 2,10%.

Saham 3M melonjak setelah perusahaan mempertahankan panduan keuangan tahunan penuh meskipun tarif dan perang dagang menimbulkan risiko baru. Perusahaan sebenarnya mendapat manfaat dari menyimpan persediaan 90 hari. Namun, mereka mengakui risiko tersebut dan merinci strategi untuk mengelola lingkungan bisnis yang bergejolak, termasuk mengoptimalkan jaringan, memindahkan produksi ke negara lain, dan mungkin memberlakukan biaya tambahan pada beberapa pelanggan.

Bulan ini, CEO Bill Brown mengatakan bahwa mereka memiliki “jejak yang sangat, sangat besar di AS” dan sedang “memperhatikan dengan sangat cermat” untuk membawa lebih banyak manufaktur ke sini.

Memiliki portofolio ribuan produk konsumen dan industri membuat 3M terpapar pada sebagian besar ekonomi. Akibatnya, penjualannya turun 1% pada 1Q25 menjadi $6 miliar sementara laba bersih per saham yang disesuaikan dari operasi berkelanjutan adalah $1,88, keduanya melampaui perkiraan.

Hal ini terjadi setelah mencatat pertumbuhan laba dua digit pada 2024, di mana $3,8 miliar dikembalikan kepada pemegang saham. Untuk tahun penuh ini, EPS yang disesuaikan naik 21% YoY menjadi $7,30, penjualan turun 0,1% menjadi $24,6 miliar, dan kas dari operasi sebesar $1,8 miliar.

Kesimpulan

Sebagai sumber daya alam yang penting, kayu dihargai karena kekuatan, daya tahan, keberlanjutan, dan keterjangkauannya. Kayu juga memainkan peran kunci dalam komposit berbasis bio, berfungsi sebagai material terbarukan dan berkelanjutan yang berpotensi menggantikan komposit konvensional dalam berbagai aplikasi.

Di sini, biomassa tumbuhan yang kompleks, lignoselulosa, penting karena membentuk struktur kaku dinding sel tanaman dan memungkinkan kayu diintegrasikan ke dalam material komposit. Komponen kayu penting ini juga dapat dimodifikasi secara kimia untuk menciptakan material canggih.

Penelitian terbaru telah menggunakannya untuk meningkatkan sifat kayu, menyoroti peran struktur hierarkis dalam kinerja mekanik kayu. Penelitian ini menunjukkan bagaimana penguatan nanopartikel pada tingkat dinding sel dapat meningkatkan kekakuan, sebagaimana dikonfirmasi melalui nanoindentasi dan atomic force microscopy, tanpa memengaruhi sifat mekaniknya. Penguatan kayu alami ini menampilkan potensi material berbasis bio canggih, yang dapat menghasilkan infrastruktur berkelanjutan dan masa depan yang lebih baik.

Studi yang Dirujuk:

1. Soini, S. A., Lalani, I., Maron, M. L., Gonzalez, D., Mahfuz, H., Domingo‑Marimon, N., & Merk, V. (2025). Multiscale mechanical characterization of mineral‑reinforced wood cell walls. ACS Applied Materials & Interfaces, 2025. https://doi.org/10.1021/acsami.4c22384