Her finner vi naturens eget supermateriale som kan erstatte plast i flere sammenhenger. Foto: Colourbox
Her finner vi naturens eget supermateriale som kan erstatte plast i flere sammenhenger. Foto: Colourbox

Supermateriale kan erstatte plast

All plasten som havner i naturen og i havet er et raskt voksende miljøproblem. Den gode nyheten er at det finnes et nedbrytbart og naturlig materiale som kan erstatte plast.

NANOCELLULOSE: Plast er på mange vis et vidundermateriale. Det er lett å forme, sterkt og billig å produsere. Men plasten er også blitt et stort miljøproblem. Vi produserer 322 millioner tonn plast per år. Det representerer 44 kilo plast for hver og en av oss på verdensbasis (2015-tall ifølge Plastics Europe).

Mye av den havner etter hvert som avfall i naturen og ikke minst i havet. Omtrent 40 prosent av de enorme mengdene med plast, kommer som emballasje. Det meste av det vi handler i matvarebutikken for eksempel, er pakket i plast.

Vegar Ottesen. Foto: Julie Gloppe Solem/NTNU

Vegar Ottesen. Foto: Julie Gloppe Solem/NTNU

– Trenger vi virkelig å pakke inn noe som det tar fem minutter å spise – i en emballasje som det tar flere hundre år å bryte ned? spør Vegar Ottesen.

– Vi jobber med å finne en annen løsning enn plast, og løsningen finner vi faktisk i naturen: nanocellulose. Den er så ufarlig at det til og med kan spises, sier Vegar Ottesen og svelger en munnfull geleaktig nanocellulose for å vise at dette er risikofritt. Han er en av deltakerne i den regionale finalen i Forsker Grand Prix i Trondheim, hvor han skal fortelle om forskningen på dette supermaterialet.

Har mange kvaliteter

Nanocellulose er små fibre eller krystaller fremstilt av plantemateriale i plantenes cellevegger. Materialet har mange positive egenskaper:

  • det er fullstendig nedbrytbart og ikke giftig
  • det kan utvinnes fra avfallsprodukter fra skog- og jordbruksnæring
  • det er sterkere enn stål per vekt og sterkere enn kevlar som brukes i skuddsikre vester
  • det kan lages gjennomsiktig og er en bedre barriere mot oksygen enn plast

– Styrken og egenskapene som gassbarriere er et sentralt punkt i min doktorgrad, sier Vegar Ottesen.

Flere forsker sammen

Forskningsprosjektet på nanocellulose involverer flere forskere ved NTNU. Det ledes av Papir- og fiberinstituttet (RISE PFI), og det var forskere herfra som først oppdaget og beskrev gassbarriere-egenskapene til nanocellulose.  

– Jeg forsker på bruken av nanocellulosefibre som et beskyttelseslag på papp for å skape papp som kan brukes til innpakning av matvarer og annet som må beskyttes mot omgivelsene. Dette kan potensielt erstatte plast og aluminium som emballasje på mange bruksområder, ikke minst ikke-fornybare olje- og metallbaserte materialer som brukes i drikkekartonger og lignende.

Så hvorfor ikke bytte ut plasten med nanocellulose med en eneste gang?

Noen utfordringer må løses først: Det er foreløpig langt billigere å produsere plastemballasje. En annen utfordring er at nanocellulose er et svært vått materiale som gjerne inneholder hele 99 prosent vann, og dette vannet må fjernes før nanocellulose kan brukes i for eksempel emballasje.

– Å få nanocellulose til å feste seg til papp eller papir, er ikke så enkelt. Det kan oppstå bobler, det kan bli hull i overflatebelegget – og det kan lett bli sprøtt og sprekke når det tørker, forklarer han.

Men nettopp det er han på god vei til å finne en løsning på. Sammen med forskere ved Åbo Akademi i Finland har han testet ut metoder for å påføre nanocellulose på papp eller papir slik at det og får en jevn, fin overflate. Nanocellulosen skaper dermed en barriere slik at det som pakkes inn i denne emballasjen, beskyttes fra påvirkning utenfra.

Så mye har plastproduksjonen økt fra 1950 til 1915.

Lovende resultater

Ubehandlet papp til høyre, behandlet papp til venstre.

Ubehandlet papp til høyre, behandlet papp til venstre.

– I arbeidet brukte vi en ru pappkvalitet med store ujevnheter og store porer (se elektronmikroskopibilde under), og selv med kun et enkelt lag nanocellulose gikk vi fra et ujevnt, røft underlag til et produkt som var glatt og jevnt. Fraværet av hull og sprekker betyr at nanocellulosen kan gjøre jobben sin som gassbarriere, forklarer Ottesen om testene de har gjort.

Han legger til at jevnheten og tettheten også kan gjøre det lettere å få lagt på god grafikk som logoer og tekst med lav bruk av trykksverte/blekk, ettersom det ikke vil suges inn i papiret, men ligge oppå den glatte overflaten.

Smart materiale

Tverrsnitt av prøve. Viser et ca. 2 µm (nanometer) tykt lag med nanocellulose oppå papp.

Tverrsnitt av prøve. Viser et ca. 2 µm (mikrometer) tykt lag med nanocellulose oppå papp.

Tverrsnitt av den dekkede prøven viser at nanocellulosen legger seg oppå som en tynn hinne, også over pappens porer.

– Det meste av hva man legger som et lag på papp og papir trenger inn i porene, så  det forventet vi egentlig kunne skje her også. Men nanocellulosen vi brukte, dannet en fin hinne når den tørket, sannsynligvis grunnet antallet hydrogenbånd mellom nanofibrene.

Dette kan bety at det blir enkelt – uavhengig av hvilken pappkvalitet som brukes – å beregne hvor mye nanocellulose som trengs per kvadratmeter produsert papp. Det kan også bety at nanocellulosen er ganske robust og at den relativt enkelt kan legges på en rekke ulike overflater med det samme resultatet: En jevn, hel hinne med veldig lavt antall hull per kvadratmeter og følgelig gode barriereegenskaper.

Vinn-vinn for naturen og forbukeren

En utfordring som gjenstår er å få nanocellulosen fleksibel nok slik at belegget ikke blir sprøtt og sprekker når det tørker.

Hvis plastemballasje kan erstattes med fornybar emballasje, sparer vi miljøet for store belastninger. Foto: Colourbox

Søppelbergene med plast vil forhåpentlig forsvinne. Foto: Colourbox

– Dette er det jeg jobber med nå. Det gjøres mye arbeid på feltet rundt hele kloden, og jeg har i aller høyeste grad troen på at dette er noe som er løst om relativt kort tid. Hvis vi får til å erstatte plastemballasje med denne emballasjen, vinner både forbrukeren og naturen, understreker Vegar Ottesen.

– Nanocellulose vil kunne fortrenge plast på flere bruksområder i fremtiden. Dette vil komme, og jeg er glad for å kunne bidra til å finne mulige løsninger på det enorme problemet som plast er blitt.

Les mer om forskningen.

Fakta om nanocellulose

Et unikt materiale som potensielt kan brukes til mye forskjellig. Blant annet: Erstatte plast i emballasje, hjelpe kroppen til å reparere ødelagt vev og få mer olje ut av oljebrønnene.

Nanocellulose er naturens eget nanomateriale. Hvert fiber består av en bunt cellulosemolekyler som sitter godt sammen. Dette kan sammenlignes med et tau som er sammensatt av mange tynne tråder. Fiberne er sterke, og gjør at planter kan vokse rett opp av bakken og stå oppreist.

Overflaten er spesiell fordi fibrene kan lime seg til hverandre. Dette gjør at vi kan bruke nanocellulose som bittesmå byggeklosser som limes sammen av seg selv til små, svært solide byggverk.

«Tissue engineering» handler om reparasjon av vev som er ødelagt ved sykdom eller skader. For å hjelpe kroppen til å reparere ødelagt vev trenger man tre ting: levende celler fra pasienten, næringsstoffer til cellene og et stillas som cellene kan feste seg på, slik at de kan danne vev. Nanocellulose brukes til å lage dette stillaset.

I oljeindustrien hentes i snitt kun 43 prosent av oljen ut fra oljereservoarene i Nordsjøen. Store deler av oljen ligger altså igjen. Dersom man tilsetter nanocellulose påvirkes viskositeten til vannet. Det blir mer tyktflytende, og man kan oppnå et annet strømningsmønster. Olje fra nye områder av reservoaret kan dermed utvunnes.

Kilde: ”Nanocellulose – naturens eget nanomateriale; Fra innerst i kroppen til havets bunn”

(Kristin Syverud, Papir- og fiberinstituttet (RISE PFI) ved NTNU).