FinnCERES – biomateriaalien uuden aikakauden kynnyksellä

Case - Julkaistu 4.12.2019

Puu taipuu moneksi, jos FinnCERES-lippulaivan asiantuntijoilta kysytään. Kasvit ja erityisesti puukuidut ovat VTT:n ja Aalto-yliopiston tutkijoille inspiraation lähde. He katsovat puuta pintaa syvemmälle ja ovat löytäneet sille aivan uusia kestäviä käyttömahdollisuuksia.

Luonto tarjoaa monia erinomaisia materiaaleja, joista puu on vain yksi monista. Tutkijoiden haasteena on nyt ottaa mallia luonnosta ja luoda materiaaleille uusia käyttötarkoituksia. Uusilla biomateriaaleilla on merkittävä rooli, kun etsimme vaihtoehtoja esimerkiksi öljypohjaiselle muoville.

VTT:n ja Aalto-yliopiston tutkijoiden käsissä puu muuttuu keinoksi siirtää dataa ja jopa valokuiduksi.

Kohti kestävää tulevaisuutta

VTT:n ja Aalto-yliopiston tutkijoiden erityisenä mielenkiinnon kohteena on luoda uutta taloudellista lisäarvoa sellupohjaisilla tuotteilla. Bulkkisellun sijaan Suomen vientiin tarvitaan täysin uudenlaisia, korkean jalostusarvon tuotteita.

Lignoselluloosan ominaisuudet ovat monella tapaa ylivertaiset. Se on lujaa ja helposti muokattavaa. Mikä tärkeintä, siitä voidaan valmistaa materiaaleja, jotka ovat kierrätettäviä ja biohajoavia, ja niiden käytöllä voidaan edistää kestävää kehitystä.

Keväällä 2018 Suomen Akatemia myönsi VTT:n ja Aallon FinnCERES-osaamiskeskittymälle merkittävän lippulaivarahoituksen. FinnCERESissä kehitetään uusia biopohjaisia materiaaleja vastaamaan aikamme haasteisiin. VTT on arvioinut, että Suomen metsäteollisuuden tuotannon arvo voidaan jopa kaksinkertaistaa vuoteen 2050 mennessä. Se edellyttää sekä merkittäviä tutkimuspanostuksia että muutosvalmiutta teollisuudelta.

Hankkeen tavoitteena on tarjota uusia kasvi- ja erityisesti puumateriaaleihin liittyviä teknologioita ja materiaaliratkaisuja. Lignoselluloosan ominaisuuksiin ja käyttömahdollisuuksiin paneutuva tutkimus auttaa kehittämään myös sellutehtaiden sivuvirroille arvokasta käyttöä. Lippulaivan ja sen ympärille rakentuvan ekosysteemin tähtäin on viedä Suomi materiaalien uudelle aikakaudelle.

Sovelluksia pakkauksista nanoelektroniikkaan

Kasvimateriaalit eli lignoselluloosan komponentit – selluloosa, ligniini ja hemiselluloosa -ovat toiminnan keskiössä. Selluloosan kyky imeä vettä ja sitoa sitä on ominaisuus, jota voidaan hyödyntää materiaaliratkaisuissa. Tätä ominaisuutta lippulaivan tutkijat tarkastelevat molekyyli- ja nanotasolla. Tutkijoiden tavoitteena on hyödyntää uusissa biomateriaaleissa myös kasveista löytyviä ominaispiirteitä.

Kasvipohjaiset biomateriaalit korvaavat fossiilisista raaka-aineista valmistettua muovia esimerkiksi pakkauksissa, tekstiileissä ja erilaisissa suodattimissa. Selluloosaa voidaan tulevaisuudessa hyödyntää jopa elektroniikassa, fotoniikassa ja puolijohteissa. Selluloosan sovelluspotentiaali fotoniikassa perustuu siihen, että nanosellu taittaa valoa ainutlaatuisella tavalla. Ominaisuutta voidaan hyödyntää esimerkiksi maalien ja pinnoitteiden valmistuksessa.

Videolla tutkijoiden kehittämä selluloosasta valmistettu valokuitu, joka soveltuu antureihin, joissa on hyötyä materiaalin biohajoavuudesta. Valo etenee kuidussa, koska kuidun ydintä ympäröi sitä taitekertoimeltaan alhaisempi kuoriosa. Valo heijastuu ytimen ja kuorikerroksen rajapinnasta takaisin kuidun ytimeen. 

Mikromuovien ja hormonien sieppaus jätevedestä – kalat kiittävät

Nanoselluloosaa voidaan hyödyntää esimerkiksi vedenpuhdistuksessa, koska siinä on aktiivista pintaa ja huomattavan paljon imukykyä. Yksi sovelluskohteista voi olla mikromuovien hallinta, niiden tunnistaminen, määrittäminen ja tehokas poistaminen jätevesistä. Aihepiiri, missä olemassa olevat menetelmät ovat riittämättömiä.

FinnCERESin tutkijat ovat myös valmistaneet sellukuitulankaa, joka sieppaa hormoneja ja muita lääkeaineita jätevedestä. Langan toiminta perustuu pintaan kiinnitettyyn sykliseen sokeriin, joka sieppaa tehokkaasti lääkeyhdisteitä – esimerkiksi ehkäisypillerien etinyyliestradiolihormonia – vedessä turvonneen kuidun onkaloihin. Tällaiset hormonit voivat vesistöön päätyessään vaikuttaa jopa kalojen sukupuoleen ja muuttaa uroskaloja naaraiksi.

Vihreämpää elektroniikkaa panimomäskistä

Biomassasivuvirroista – kuten panimomäskistä ja männynkuoresta – voidaan valmistaa biohiiltä, jota voidaan elektroniikan sovelluksissa, kuten aurinkokennoissa, hyödyntää energian varastoinnissa. FinnCERES-projektissa kehitetyn biohiilen kapasiteetti näyttää lupaavalta.

Yritykset mukaan

FinnCERESissä on käynnissä useita tutkimusprojekteja. Aallossa ja VTT:llä aihepiirin parissa vaikuttaa noin 200 tutkijaa, ja lukuisten tutkimushankkeiden lisäksi yhteisöön kuuluu myös yritysjäseniä. Akatemian lippulaivarahoituksen myötä toimijoiden yhteistyö ja yhteisten resurssien hyödyntäminen on noussut biotaloudessa uudelle tasolle.

FinnCERES verkossa: https://finnceres.fi/

Yhteydenotot ja lisätiedot:

Tutkimusprofessori Tekla Tammelin, VTT
puhelin 0400562814, sähköposti tekla.tammelin(a)vtt.fi

Professori Orlando Rojas, Aalto yliopisto
sähköposti orlando.rojas(a)aalto.fi

Yläkuvassa: Tutkijat kehittivät sellulangasta tehokkaan materiaaliin sieppaamaan hormoneja ja muita lääkeaineita. Langan pintaan yhdistetään syklistä sokeria, joka sieppaa tehokkaasti yhdisteitä vedessä turpoavan kuidun onkaloihin.

Agenda 2030

FinnCERES-hanke vastaa erityisesti YK:n jäsenmaiden kestävän kehityksen tavoitteisiin 9 ja 13 edistämällä kestävää teollisuutta ja innovaatiota sekä tarjoamalla kestävän kehityksen mukaisia ratkaisuja ilmastonmuutosta vastaan.