Röntgensäde vie puusoluseinän sisään

Puun mahdollisuudet uusiutuvana raaka-aineena ovat valtavat. Puuta käytetään jälleen aiempaa enemmän rakennusmateriaalina, ja jatkojalostamalla sen rakenneosasista voidaan valmistaa monenlaisia materiaaleja, kemikaaleja ja polttoaineita.

Kaikesta huolimatta puusoluseinän yksityiskohtainen rakenne on vielä osittain tuntematon, mikä vaikeuttaa uusien sovellusten kehittämistä. Omassa työssäni Aalto-yliopiston biotuotteiden ja biotekniikan laitoksella tutkin puusoluseinän sisäistä rakennetta röntgen- ja neutronisironnan avulla.

Puu- ja kasvisoluseinän sisäisen rakenteen tutkiminen on haastavaa, koska useimpiin käytössä oleviin menetelmiin liittyy riski rakenteen vahingoittumisesta tutkimuksissa. Sirontamenetelmät ovat tässä suhteessa poikkeuksellisia, koska niiden avulla soluseinän rakennetta voidaan tutkia kajoamattomasti ja mahdollisimman luonnollisessa tilassa. Näin voimme saada erityisesti tietoa soluseinän nanometritason rakenteesta ja rakenteen käyttäytymisestä erilaisissa ympäristöissä.

Puusoluseinän tukiranka muodostuu selluloosamikrofibrilleistä, jotka ovat muutaman kymmenen selluloosaketjun muodostamia kuitumaisia rakenteita. Mikrofibrillit puolestaan liittyvät yhteen hemiselluloosamolekyylien kanssa muodostaen mikrofibrillikimppuja, joiden seassa on myös ligniiniä ja vettä.

Vedellä ja sen vuorovaikutuksilla muiden rakenneosasten kanssa on merkittävä vaikutus puun ja selluloosapohjaisten materiaalien ominaisuuksiin, joista paperin pehmeneminen kastuessa on todennäköisesti tutuin esimerkki. Röntgen- ja neutronisironta paljastavat erityisen hyvin, kuinka mikrofibrillikimput turpoavat ja molekyylien järjestäytyminen puusoluseinässä muuttuu veden ansiosta. Nämä nanometritason ilmiöt ovat perustana materiaalin makroskooppisen tason muutoksille, vaikka niiden välistä yhteyttä ei vielä täysin ymmärretä.

Viimeisin merkittävä tutkimuslöytöni oli se, että opimme erottamaan mikrofibrillikimppujen osuuden puunäytteiden pienkulmaneutronisirontadatassa. Tämän menetelmän avulla voimme määrittää selluloosamikrofibrillien muodostamien kimppujen koon puusoluseinässä ainetta rikkomatta ja esimerkiksi kosteuden funktiona, mikä ei onnistunut aiemmin käytössä olleilla menetelmillä. Mielenkiintoista tässä löydössä on myös se, että se avaa mahdollisuuksia tutkia kasvisoluseinän kehittymistä uudella tavalla ja ymmärtää paremmin, kuinka puusoluseinä alun perin muodostuu.

Sirontadatan analyysia voidaan myös yhdistää esimerkiksi molekyylimallinnukseen tai koneoppimiseen. Tällöin siitä saadaan entistä tarkempaa tietoa puusoluseinän sisäisestä rakenteesta ja sen muuttumisesta erilaisissa ympäristöissä. Tämän tiedon avulla voimme kehittää parempia ratkaisuja oman muuttuvan ympäristömme asettamiin haasteisiin.

---

Dosentti Paavo Penttilä työskentelee Akatemian tutkijatohtorina Aalto-yliopiston biotuotteiden ja biotekniikan laitoksella. Hän on koulutukseltaan kokeellinen materiaalifyysikko, jota kiehtoo luontoperäisten materiaalien ihmeellinen rakenne.