Puusta voi muokata mustaakin mustempaa ainetta – pimeää kuin metsä, jonka puut ovat kilometrien korkuisia

Aalto-yliopiston ja VTT:n tutkijat kehittävät puusta ainetta, joka heijastaa mahdollisimman vähän valoa ja muuta säteilyä.

Musta aine tunnetusti imee siihen osuvan valon ja heijastaa säteilyä vain vähän. Kun valon heijastamattomuudessa tavoitellaan mahdollisimman täydellistä, puhutaan supermustasta.

Supermusta materiaali ei heijasta näkyvää valoa sen paremmin kuin ihmissilmälle näkymättömiä infrapuna- tai ultraviolettisäteilyä. Supermustan aineen avulla voidaan esimerkiksi parantaa aurinkopaneelien suorituskykyä tai vähentää avaruusteleskooppien kohinasignaalia tähtitieteessä.

Supermustia materiaaleja on tehty tähän asti synteettisesti. Niiden tuottaminen on yleensä aikaa vievää ja vaatii paljon aikaa ja energiaa. Monien supermustien aineiden ongelma on niiden myrkyllisyys ja herkkyys kosketukselle.

Puupohjaisen ratkaisun vaarattomuus ja kestävyys avaisi mahdollisuuksia uusiin sovelluksiin. Tutkijoiden tavoitteena on tehdä ainetta, joka imisi 99,65 prosenttia valosta. Se olisi uusi ennätys massiivipuumateriaalin mustuudelle.

Tutkijat Bin Zhao, Alexey Khakalo ja Bruno Mattos ovat mukana kehittämässä puusta supermustaa ainetta Aalto-yliopiston ja VTT:n hankkeessa.  Kuva: Photino Science Communications

Supermusta syntyy yhdistelmästä valoa imeviä, kemiallisia rakenteita ja valoa vangitsevia nanorakenteita. Monet synteettiset supermustat aineet ovat symmetrisiä, lyhyitä lieriöitä. Puun selluloosakuidut ovat terävähuippuisia ja epäsäännöllisiä, mikä tehostaa valon imeytymistä.

"Muunnamme puun luonnollisen hiilihydraattien muodostaman rakenteen valoa imeväksi grafiitin kaltaiseksi materiaaliksi. Rakenteellisilla muutoksilla voimme myös kehittää valoa sitovia ominaisuuksia”, erikoistutkija Bruno Mattos selittää Aalto-yliopiston tiedotteessa.

Tutkijoiden aikaansaamassa rakenteessa valon sironta vähenee, jolloin valonheijastavuus laskee supermustalle tasolle. Puussa on luonnostaan supermustaan aineeseen vaadittavia rakenteita, tutkijat vain muokkaavat niiden mittakaavaa.

Valon imeytymistä supermustaan puuhun voi verrata luonnonmetsän olosuhteisiin. Tavallinen metsä on varjoisa, mutta jos puut olisivat kymmenien metrien sijaan kilometrien korkuisia, maahan ei lankeaisi enää lainkaan valoa. Metsän pohjalla on sitä pimeämpää, mitä suurempi puiden korkeuden ja niiden väliin jäävän tilan leveyden suhde on.

“Puuta on hiiletetty ennenkin ja tuloksena on ollut mustaa materiaalia, mutta ei koskaan supermustaa. Tämä johtuu siitä, että hiiltymislämpötila ja ligniinipitoisuus ovat keskeisiä. Kun säädämme niitä, saamme aikaan uuden rakenteen, joka syntyy suoraan puun soluseinästä, terävämpinä muotoina, jotka ovat mittaluokaltaan mikrometristä nanometriin”, sanoo väitöskirjatutkija Bin Zhao.