The biomimetic approach for high-performance materials from renewable resources

Suomen Luonnonvaraintutkimussäätiö on rahoittanut ”The biomimetic approach for highperformance
materials from renewable resources” hanketta vuosien 2012–2014 aikana.
Hankkeessa kehitimme kevyitä, mutta lujia materiaaleja täysin uusiutuvista raaka-aineista.
Pääkomponenttina käytimme nanoselluloosaa ja vesiliukoisia polysakkarideja. Onnistuimme
merkittävästi parantamaan nanoselluloosafilmin kuiva- ja märkälujuutta lisäämällä vain
muutama prosentti muokattuja luonnon mannaaneja. Nanoselluloosapohjaisten materiaalien
märkälujuus on aikaisemmin ollut haastavaa parantaa, koska hydrofobointi on usein myös
heikentänyt selluloosasäikeiden välisiä vetysidoksia ja siten koko materiaalia. Meidän
kehittämä materiaali pysyi hydrofiilisena, mutta oli kuitenkin lujempi märkänä kuin
muokkaamaton nanoselluloosakalvo.
Vertaisimme systemaattisesti eri luonnon polysakkaridien vaikutusta nanoselluloosakalvojen
lujuuteen. Kaikki käyttämämme vesiliukoiset polysakkaridit paransivat filmien kuivalujuutta
mutta vain osa kasvatti myös märkäluutta. Vaikutukset havaitaan vain kahden prosentin
lisäyksellä oikein valittua polysakkaridia. Kartoitimme myös perusteellisesti nanofibrilloidun
selluloosan ja muokattujen mannaanien välisiä vuorovaikutuksia hyödyntäen pintaspesifisiä
mittausmenetelmiä, kuten kvartsikidevaakaa ja atomivoimamikroskooppia.
Atomivoimamikroskopian avulla mittasimme pintojen välisiä voimia. Tämän menetelmän
avulla näimme esimerkiksi, että vedessä nanoselluloosan ja muokatun mannannin välillä oli
enemmän attraktiota kuin kahden selluloosapinnan välillä ja pystyimme siten ymmärtämään
paremmin miksi tällä yhdistelmällä saatiin niin kestäviä komposiitteja.
Tutkimuksen tuloksia on julkaistu kolmessa vertaisarvioidussa tieteellisessä artikkelissa,
Österberg et al. (2013), Applied Materials and Interfaces, 5 (11), 4640-4647, Leppänen et al.
(2013), Journal of Applied Polymer Science, 130 (5), 3122-3129 ja Lucenius et al. (2014),
Reactive and Functional Polymers, 85, 167-174.
Tutkimusta jatketaan edelleen ja aiomme selvittää tarkemmin materiaalien
pintavuorovaikutuksia. Olemme myös aloittaneet tutkimusyhteistyön Wienin yliopiston kanssa.
Lisätietoja:
FT Monika Österberg, Aalto Yliopisto, monika.osterberg@aalto.fi
ja FM Jessica Lucenius, Aalto yliopisto jessica.lucenius@aalto.fi