Mineralinfunderte kompositter forbedrer tre fra innsiden

Verden blir stadig mer bevisst på miljøet og bærekraft, noe som fører til utvikling og bruk av bio‑baserte komposittmaterialer.

Disse materialene blir sett på som et alternativ til tradisjonelle ikke‑fornybare syntetiske fibre som glass‑ og karbonforsterkede kompositter, samt materialer som stål og betong.

Markedet for biokompositter har vokst det siste tiåret, fra $4.46 billion i 2016 til godt over $10 billion i 2024. Det er forventet å nå omtrent $215.62 billion i 2034 ettersom teknologiske fremskritt akselererer markedsutvidelsen, etterspørselen etter lette og høy‑styrke materialer øker, og regjeringer verden over aktivt støtter utviklingen av avanserte biokompositter.

Tross alt har biokompositter mange fordeler sammenlignet med konvensjonelle alternativer, inkludert CO2‑nøytralitet, høy helsesikkerhet, korrosjonsbestandighet, termisk isolasjon, lettvekt, lav tetthet og mindre produksjonsenergi.

Det betyr ikke at biokomposittmaterialer er uten utfordringer. De har faktisk flere ulemper som utvinning, bearbeiding, produksjon, lav termisk stabilitet, dårlige elektriske egenskaper, brennbarhet, overflatebehandling og mer.

Å takle disse utfordringene og forbedre de mekaniske egenskapene til bio‑baserte kompositter innebærer å studere deres multiskala‑mekanikk på grunn av deres komplekse hierarkiske struktur.

I motsetning til konvensjonelle kompositter påvirkes egenskapene til bio‑baserte kompositter av komponentenes arrangement på flere skalaer, ikke bare på makroskopisk nivå.

For eksempel påvirkes treets mekaniske egenskaper av arrangementet av cellulose, lignin og andre komponenter på ulike skalaer innenfor celleveggene og mellom cellene.

Her analyserer multiskala‑mekanikk materialets oppførsel på ulike nivåer. Dette inkluderer nanoskalennivået, som omhandler interaksjonene mellom individuelle molekyler og nanopartikler. På mikroskalaen undersøkes arrangementet av fibre, celler eller andre mikrokomponenter, mens mesoskalén studerer hvordan dette arrangementet påvirker materialets samlede egenskaper. På makroskala analyseres den overordnede oppførselen til kompositten, for eksempel stivheten.

Ledende forskning pågår for å studere og forstå multiskala‑mekanikken til bio‑baserte kompositter, og gir unike innsikter i de underliggende struktur‑egenskaps‑relasjonene.

Dette bidrar til å løse utfordringene knyttet til styrke, holdbarhet, pålitelighet og bærekraftig produksjon. Å gjøre dette vil gi oss neste generasjons materialer som er lette og robuste, med funksjonaliteter som gjør dem i stand til å tilpasse seg og reparere seg selv.

Banebrytende tilnærminger for forbedring av tre

Når det gjelder bio‑baserte kompositter, har cellulose‑holdige materialer som tre fått betydelig oppmerksomhet på grunn av deres naturlig komplekse indre arkitektur. For ikke å nevne at en enorm mengde (omtrent 181.5 billion tons) tre produseres globalt hvert år, og gir en av de største fornybare materialkildene.

Med mineralressurser som kull, olje og naturgass som utvinnes i stadig økende tempo, noe som truer biosfæren, har studiet av treets nano‑ og mikrostrukturer intensifisert seg spesielt det siste tiåret.

Som forskere ved Kyoto University nylig bemerket:

«Hvis vi kan ‘se’ det øyet ikke kan, kan vi forlenge levetiden til trekonstruksjoner og forbedre bærekraften i byggebransjen.»

Dermed laget dette teamet en effektiv metode¹ for å diagnostisere den nesten usynlige forringelsen av tre før skaden blir irreparabel. Til dette kombinerte de midt‑infrarød spektroskopi med maskinlæring for å teste kunstig værslitte trebelegg og belegg som inneholder cellulose‑nanofibre for å forbedre deres holdbarhet.

Here, the partial least squares was used to build a model to predict the extent of deterioration, along with a genetic algorithm to identify the most informative infrared signals.

«Vi ble overrasket over å finne at svært subtile kjemiske endringer – altfor små til å oppdages visuelt – kunne fanges opp av infrarød spektroskopi og forutsies av modellen.»

– Tilhørende forfatter Yoshikuni Teramoto

I mellomtiden valgte et forskerteam ved University of Maryland å genetisk modifisere poppeltrær, i stedet for å bruke kjemikalier, for å produsere høy‑ytelses, strukturelt tre. Ved hjelp av base‑redigering eliminerte de et nøkkelgen kalt 4CL1, noe som resulterte i poppeltrær med 12,8 % lavere lignininnhold enn ville poppeltrær.

I enda en spennende studie brukte materialvitenskapsfolk fra Rice University og Oak Ridge National Laboratory treavfall til å lage en blekk som kan brukes til 3D‑utskrift av tre‑lignende objekter.

Denne forskningen brukte avfallsmateriale fra trearbeid, som først ble hakket til fint støv og deretter blandet med kjemikalier for å skille lignin og cellulose. Disse to komponentene ble deretter brutt ned til nanofibre og nanokrystaller før de ble kombinert igjen og tilsatt vann for å lage en leire‑lignende blanding.

Den resulterende blandingen ble brukt som blekk i en 3D‑printer og deretter brukt til å lage flere miniatyrbord og -stoler. Ved å benytte en frysetørkemetode ble fuktigheten fjernet fra produktene, som deretter ble varmet opp til 180 °C for å smelte de to polymerene, noe som resulterte i et tre‑lignende objekt.

Det ferdige objektet viste seg å være seks ganger så holdbart og tre ganger så fleksibelt som de som ble laget av originalt tre i tester. De luktet til og med som naturlig tre. Ved å manipulere utskriftsprosessen, kunne teamet også innarbeide tre‑lignende teksturer i produktene sine.

Klikk her for å lære mer om det transparente treet som kan erstatte plast.

Styrking av tre med nano‑jern

Midt i alle disse høyteknologiske tilnærmingene har en annen lovende metode som er kostnadseffektiv og skalerbar blitt utforsket for å styrke tre.

I denne nye studien samarbeidet forskere fra College of Engineering and Computer Science ved Florida Atlantic University, sammen med forskere fra University of Miami og Oak Ridge National Laboratory, og modifiserte eiketre med nanokrystallinsk ferrihydritt.

Ferrihydritt (Fh) er et utbredt hydratisk ferrisk oksyhydroksidmineral på jordens overflate, og er forløperen til de fleste jernoksider i jord. Det er et dårlig krystallinsk jern‑oksyhydroksid‑nanomineral, kjent for sin lille partikkelstørrelse og store reaktive overflate.

Ideen bak dette var å finne ut om innlemming av harde mineraler i veggene til trecellene på nanoskalennivå ville gjøre dem sterkere uten å gjøre materialet dyrt, tungt eller uegnet for miljøet.

Selv om studier har undersøkt hvordan behandlet tre presterer på ulike skalaer, er det få, og ingen som faktisk har gjort hele trestykker sterke ved å tilføre uorganiske mineraler direkte inn i celleveggene. Ifølge studiens seniorforfatter, Vivian Merk, Ph.D., som er førsteamanuensis ved FAU:

«Tre, som mange naturlige materialer, har en kompleks struktur med ulike lag og egenskaper på varierende skalaer. For virkelig å forstå hvordan tre bærer belastninger og til slutt svikter, er det essensielt å undersøke det på tvers av disse ulike nivåene.»

Dermed fortsatte forskerne med å undersøke dette, med fokus på ringporøst tre. Denne typen løvtre kommer fra løvtrær som eik, valnøtt, kirsebær og lønn, hvis treverk har store, ringformede kar som transporterer vann fra røttene til bladene.

Forskerne brukte rød eik i studien, som er innfødt i Nord-Amerika og brukes til papirproduksjon og ulike byggeformål.

Ved hjelp av en enkel kjemisk reaksjon introduserte de en jernforbindelse i treet. Her ble ferri‑nitratsalt blandet med kaliumhydroksid for å danne ferrihydritt.

Teamet studerte deretter komposittens mekaniske egenskaper på ulike organisasjonsnivåer. Det viste at en rimelig kjemisk metode som bruker nanokrystallinsk jern‑oksyhydroksid har evnen til å forsterke treets små cellevegger samtidig som den kun tilfører en liten ekstra vekt.

Selv om påføring av ferrihydritt‑nanopartikler inne i treets cellevegg førte til økt stivhet og hardhet i den funksjonaliserte sekundære celleveggen, forble treets samlede oppførsel uendret.

Dermed påvirket økt holdbarhet i den interne strukturen ikke hvordan treet bøyer eller brekker. Dette kan skyldes at behandlingen svekker forbindelsene mellom hver trecelle, noe som påvirker hvordan materialet bindes på større skala.

Resultatene antyder at det er mulig å forbedre styrken til tre og andre plantebaserte materialer med riktig kjemisk behandling, uten å øke vekten eller skade miljøet. Dette fremhever potensialet for biomaterialer til å erstatte betong og stål i fremtiden.

Klikk her for å lære hvordan massivt tre bidrar til å bygge tre‑skyskrapere.

Multiskala‑analyse av den bio‑baserte kompositten

Gitt at cellulære materialer som tre er høyt organiserte, hierarkiske samlinger av belastningsbærende strukturelementer som responderer på mekaniske stimuli på mikroskopisk, mesoskopisk og makroskopisk skala, tok teamet en detaljert titt på mekanikken til bio‑baserte kompositter ved bruk av ulike metoder. Merk bemerket:

«For å teste vår hypotese – at tilsetning av små mineralkrystaller til celleveggene ville styrke dem – benyttet vi flere typer mekanisk testing både på nanoskalennivå og på makroskalennivå.»

Verktøyene forskerne brukte inkluderer atomkraftmikroskopi (AFM), en kraftig teknikk som gjør det mulig å avbilde nesten alle typer overflater, inkludert keramikk, kompositter, polymerer, glass og biologiske prøver.

Ved å bruke AFM analyserte teamet treet på en svært liten skala, noe som gjorde dem i stand til å måle egenskaper som elastisitet og stivhet.

Spesielt ble AM‑FM‑teknikken (Amplitude Modulation – Frequency Modulation) brukt. Denne metoden vibrerer AFM‑spissen ved to forskjellige frekvenser, hvor den ene genererer detaljerte overflatebilder mens den andre måler materialets elastisitet og klebrighet. Teknikken ga dem en presis oversikt over hvordan celleveggene endret seg når de ble behandlet med mineraler.

Teamet utførte også nanoindenteringsprøver i et skannende elektronmikroskop (SEM), som lager prøvebilder ved å skanne overflaten med en fokusert elektronstråle som interagerer med atomer for å produsere ulike signaler som inneholder informasjon om overflatens topografi og prøvens sammensetning.

Her presset forskerne små prober inn i treet for å beregne responskraften i ulike områder.

For å oppsummere gjennomførte de deretter standard mekaniske tester som bøying av både behandlede og ubehandlede treksempler for å undersøke deres styrke og hvordan de brøt under belastning.

«Ved å se på tre på ulike nivåer – fra de mikroskopiske strukturene inne i celleveggene helt opp til hele trestykket – klarte vi å lære mer om hvordan man kjemisk kan forbedre naturlige materialer for praktisk bruk.»

– Merk

Bruk av en kombinasjon av små‑skala og stor‑skala testing hjalp dem faktisk med å forstå hvordan behandlingen påvirket både de fine detaljene inne i celleveggene og den samlede styrken til treet.

«Denne forskningen markerer et betydelig fremskritt innen bærekraftig materialvitenskap og et meningsfullt skritt mot miljøvennlig bygging og design.»

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

Hun bemerket videre at ved å bruke kostnadseffektive og miljøvennlige metoder for å forsterke naturlig tre, legger denne studien grunnlaget for neste generasjon av bio‑baserte materialer med potensial til å erstatte tradisjonelle materialer i strukturelle anvendelser, som broer, bygninger, gulv og møbler. Hun la til:

«Innvirkningen av dette arbeidet går langt utover ingeniørfaget – det bidrar til globale innsats for å redusere karbonutslipp, kutte avfall, og omfavne bærekraftige, natur‑inspirerte løsninger for alt fra bygninger til infrastruktur i stor skala.»

Innovative selskaper

1. Weyerhaeuser Company 

Hvis vi ser på fremtredende innovatører innen dette feltet, er Weyerhaeuser Company (WY ) en stor eier av skogområder og produsent av treprodukter. Selskapet eier eller kontrollerer omtrent 10,4 millioner mål skog i USA og forvalter ytterligere skogområder i Canada.

Selskapet forvalter sine skogområder på fullt bærekraftig grunnlag og har vist interesse for utvikling av bio‑baserte materialer. Med en markedsverdi på $18.79 billion, handles Weyerhaeuser-aksjene for øyeblikket til $25.80, ned 7.96 % år‑til‑dato. Selskapet har en EPS (TTM) på 0.50, en P/E (TTM) på 51.70 og en ROE (TTM) på 3.71 % mens det betaler et utbytte på 3.24 %.

Når det gjelder økonomi, rapporterte Weyerhaeuser nettoresultat på $396 million i 2024, eller 54 cent per utvannet aksje. Nettoomsetningen for hele året var $7.1 billion, ned $0.6 billion fra 2023. Sterke resultater ble levert fra Natural Climate Solutions‑virksomheten, som genererte $55 million av driftsinntekt. Merkverdig er at selskapet er på vei til å nå $100 million av justert EBITDA innen årsslutt 2025.

«Vår ytelse i 2024 reflekterer solid gjennomføring i et utfordrende markedsmiljø.»

– CEO Devin W. Stockfish

I denne perioden ble $735 million returnert i kontanter til aksjonærene, inkludert $153 million av aksjetilbakekjøp. For noen måneder siden kunngjorde Weyerhaeuser også en 5 % økning i sitt basisutbytte. Det markerte det fjerde påfølgende året selskapet økte sitt kvartalsvise basisutbytte.

Når det gjelder andre utviklinger, fikk Weyerhaeuser godkjenning for sitt andre skogkarbonprosjekt, kunngjorde en strategisk investering for å bygge en ny fabrikk for konstruerte treprodukter i Arkansas, og styrket sin Southern Timberlands‑portefølje med strategiske transaksjoner i Alabama.

«Når vi går inn i 2025, er balansen vår sterk, og vi er godt posisjonert til å kapitalisere når markedsforholdene forbedres. Vi forblir fokusert på å nå våre flerårige mål, betjene våre kunder og skape langsiktig verdi for våre aksjonærer.»

– Stockfish

Q1‑2025‑resultatene viser faktisk dette med nettoresultat på $83 million, eller $0.11 per utvannet aksje, på nettoomsetning på $1.8 billion.

I denne perioden registrerte Timberland‑segmentet moderat høyere inntekter fra inntektsbasert hogst og innenlands salg i vest, mens eksportvolumene var noe lavere, spesielt til Kina. I segmentet for eiendom, energi og naturressurser falt antall solgte mål, men gjennomsnittsprisen per mål var mye høyere. Salgsinntektene for tømmer økte mens kostnadene for stammer var moderat høyere. Salgsvolumene for konstruerte treprodukter var derimot lavere, og enhetsproduksjonskostnadene økte.

2. 3M Company

Et annet fremtredende navn innen feltet er 3M Company (MMM ), som er involvert i forskning og utvikling av avanserte materialer, inkludert nanokompositter og bio‑baserte systemer.

Dette diversifiserte teknologiselskapet har en markedsverdi på $74.75 billion, med aksjene handlet til $138.91, opp 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 % mens det betaler et utbytte på 2.10 %.

3M‑aksjene steg etter at selskapet opprettholdt sin helårs‑finansielle veiledning til tross for toll og handelskrig som presenterte nye risikoer. Selskapet drar faktisk nytte av å ha 90 dagers lager. Imidlertid anerkjente det risikoene og beskrev strategier for å håndtere det turbulente forretningsmiljøet, inkludert optimalisering av nettverket, flytting av produksjon til andre land, og muligens pålegge tilleggskostnader på enkelte kunder.

Bare denne måneden sa administrerende direktør Bill Brown at de har «et svært, svært stort fotavtrykk i USA» og «ser svært nøye på» å bringe mer produksjon hit.

Å ha en portefølje med tusenvis av forbruker‑ og industriprodukter gjør at 3M er eksponert mot et bredt spekter av økonomien. Som følge av dette falt salget med 1 % i 1Q25 til $6 billion, mens justert resultat per aksje fra løpende virksomhet var $1.88, begge over forventningene.

Dette kommer etter å ha levert tosifret inntjeningsvekst i 2024, hvor $3.8 billion ble returnert til aksjonærene. For dette hele året økte justert EPS med 21 % år‑over‑år til $7.30, salget falt med 0.1 % til $24.6 billion, og kontantstrøm fra driften var $1.8 billion.

Konklusjon

Et viktig naturressurs, tre, verdsettes for sin styrke, holdbarhet, bærekraft og rimelighet. Det spiller også en sentral rolle i bio‑baserte kompositter, og fungerer som et fornybart og bærekraftig materiale med potensial til å erstatte konvensjonelle kompositter i ulike anvendelser.

Her er den komplekse plantebiomassen, lignocellulose, viktig da den danner den stive strukturen i plantecellevegger og gjør det mulig å integrere tre i komposittmaterialer. Denne kritiske trekomponenten kan også kjemisk modifiseres for å skape avanserte materialer.

Den nyeste forskningen har brukt den til å forbedre treets egenskaper, og fremhever rollen til hierarkisk strukturering i treets mekaniske ytelse. Den viser hvordan nanopartikkel‑forsterkning på celleveggnivå kan forbedre stivheten, bekreftet gjennom nanoindentering og atomkraftmikroskopi, uten å påvirke materialets mekaniske egenskaper. Denne naturlige treforsterkningen demonstrerer potensialet til avanserte bio‑baserte materialer, som kan føre til bærekraftig infrastruktur og en bedre fremtid.

Studier referert til:

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