Datormodellering avslöjar träets verkliga beteende

Det var i höstas som Sara Florisson beviljades ett fyraårigt etableringsbidrag från Vetenskapsrådets årliga utlysningsomgång inom naturvetenskap och teknikvetenskap. Ursprungligen är hon från Nederländerna, men fick 2022 en postdoktortjänst vid institutionen för materialvetenskap på Uppsala universitet. Hennes forskningsfokus handlar om att förstå träets beteende, särskilt när det utsätts för mekanisk belastning och förändringar i relativ luftfuktighet och temperatur.

– Trä är ett mycket mångsidigt material. Men det har en hel del naturliga variationer som kvistar och densitetsskillnader, vilket påverkar dess beteende och gör det till en intressant utmaning att simulera.

En av de tekniker som Sara Florisson använder för att observera mikrostrukturen i trä är så kallad finita elementmodellering. I ett datorprogram delar hon in trämaterialet i kuber och löser en matematisk ekvation för varje kub. Genom att lösa den för alla kuber kan hon få en uppfattning om beteendet hos ett större objekt, exempelvis cellstrukturen i trä.

Men för att förstå beteendet inuti cellväggen och dess kemiska komponenter som lignin, hemicellulosa och cellulosa, måste cellväggen brytas ned till sina minsta beståndsdelar. Detta görs med datorsimuleringar som atomistisk modellering med molekylär dynamik.

– Vi kan faktiskt simulera lignin, hemicellulosa och cellulosa och se hur de reagerar när vi skickar in vattenmolekyler och utsätter dem för en viss mekanisk belastning, till exempel kompression, säger Sara Florisson.

Tar hjälp av röntgenteknik

Hon hoppas också kunna undersöka sådant hygro-mekaniskt beteende hos trä med hjälp av röntgenteknik vid ForMAX strålrör, beläget vid synkrotronanläggningen MAX IV i Lund. Där kan forskare utföra icke-förstörande och högupplösta experiment på skogsråvaror. Resultaten från experimenten kan hjälpa till att konstruera finita element- och atomistiska modeller och jämföra simuleringsresultaten med verkligheten.

Forskningsmaterialet består av mer än 100 år gammal norsk gran och kommer från den tyska partnern TU München.

– I Tyskland har man studerat klimatförändringarnas inverkan på träkvaliteten och det visar sig att kvaliteten faktiskt minskar. Det har att göra med förlängda växtsäsonger, högre temperaturer och andra komponenter i den globala uppvärmningen, vilket resulterar i lägre densitet och styrka.

Behov av hållbarhetslösningar

Idag är mycket hopp knutet till trä och dess potentiella användningsområden, i allt från byggnader och bioenergi till batterier och kläder. Sara Florisson hoppas att hennes projekt ska öka medvetenheten om hållbarhetsfrågor och ge information som kan hjälpa industrier att hantera sina produktionsprocesser.

– Om densiteten och styrkan skulle fortsätta att minska skulle vi få virke av mycket dålig kvalitet, och i extrema fall skulle vi behöva justera våra timmersorteringssystem. Det vi vill är att bygga effektivare, högre och använda en mindre mängd material för samma typ av byggnad. Det skapar en mer lönsam process så att vi förhoppningsvis kan utmana betong och andra typer av byggmaterial som har en större klimatpåverkan.

Anneli Björkman