Onderzoekers aan de University of Cambridge hebben voor het eerst haarscherpe beelden gemaakt van de nanostructuur van verschillende houtsoorten. Op termijn moet dit onderzoek bijdragen aan het ontwerpen van sterkere houtstructuren, zodat hogere gebouwen van hout mogelijk worden.

De resultaten staan beschreven in een recent wetenschappelijk artikel in het tijdschrift Frontiers in Plant Science.

De Britten namen houtmonsters van verschillende boomsoorten, zoals de spar, de Japanse notenboom en de populier uit de Botanische Tuin van de University of Cambridge. Elk monster werd razendsnel bevroren tot -200 graden Celsius om de cellen in het hout zo natuurgetrouw mogelijk te kunnen afbeelden. Om de structuren met optimaal contrast te kunnen afbeelden in de microscoop, kreeg elk monster een flinterdun (3 nanometer, pakweg 15 atomen dik) laagje platina.
 

Elektronenbundel

Vervolgens ging zo’n monster de cryo-SEM (cryo-scanning electron microscope) in, waar een elektronenbundel het oppervlak scant. De microscoop meet de elektronen die onder verschillende hoeken van het oppervlak van het monster terugkaatsen (en eventuele straling die ontstaat) en berekent daaruit de vorm van het oppervlak. Die wordt weergegeven als een scherpe zwart-witfoto, zoals de afbeelding boven dit artikel.
 

Moleculaire architectuur van hout

Op de beelden van de houtmonsters waren voor het eerst heel scherp de zogeheten macrofibrillen te zien, die hout zijn ruimtelijke vorm geven. ‘Het is de moleculaire architectuur van hout die zijn sterkte bepaalt, maar tot nu toe kenden we de precieze ordening van de cilindrische structuren – macrofibrillen – niet’, zegt onderzoeker Jan Lyczakowski in een persbericht van Cambridge University. ‘Dankzij deze vorm van microscopie kunnen we de samenstelling van de macrofibrillen zien, en hoe die structuur verschilt tussen planten onderling. We hopen te leren hoe structuren samenhangen met de dichtheid en sterkte van het hout.’
 

Natuurlijke polymeren

De onderdelen van hout waar de meeste interesse van de onderzoekers naar uitgaat, zijn de secundaire wanden van de cellen in hout. Die zijn gemaakt van de natuurlijke polymeren (zeer lange koolstofketens) cellulose en hemicellulose, vermengd met lignine. Het zijn deze stoffen die ervoor zorgen dat bomen een lange stam kunnen krijgen, die niet instort onder zijn eigen gewicht.

‘Nu we de moleculaire opbouw van hout scherp in beeld krijgen, kunnen we ons gaan richten op de onderzoeksvraag: hoe kunnen we de sterkte van het hout verhogen door met die ordening van de natuurlijke polymeren (zoals cellulose, red.) te spelen’, zegt hoogleraar Paul Dupree in het persbericht. ‘Een beter begrip van hoe de verschillende componenten van hout samen een supersterke structuur vormen, is én belangrijk voor een beter begrip van planten en bomen én voor het ontwikkelen van nieuwe materialen voor de bouw.’
 

Impressie van woontoren HAUT in Amsterdam.


Hoogbouw van hout

Het onderzoek is relevant omdat hout steeds vaker (weer) gebruikt wordt in de bouw. Niet alleen voor de bekende delen van huizen (kozijnen etc.), maar zelfs als dragende structuur voor hoogbouw. Neem de woontoren HAUT in Amsterdam, een van de hoogste woongebouwen ter wereld die in aanbouw zijn, maar er zijn in de wereld veel meer plannen voor hoogbouw van hout.

‘Er is wereldwijd steeds meer interesse in hout als lichter en groener materiaal voor constructies’, aldus Dupree. ‘Als het ons lukt om de sterkte van hout te verhogen, kan hout ook in hogere gebouwen staal en beton gaan vervangen.’
 

Hout is te engineeren

Momenteel moeten architecten en constructeurs voor dit soort hoge gebouwen nog de juiste houtsoorten uit de natuur selecteren, maar de onderzoekers in Cambridge denken dat hout in de toekomst te engineeren zal zijn, aan te passen per gebouw.

Bij de productie van zowel beton als staal komt veel CO2 vrij, terwijl bij het gebruik van hout de constructie juist CO2 vastlegt. Natuurlijk heeft hout ook zo zijn eigen uitdagingen, waar ander onderzoek zich op richt: hoe moet het behandeld worden zodat het lang meegaat; hoe onderhoudsgevoelig is het; hoe zorgen we dat het hout tegen brand beschermd is? Maar het is duidelijk dat hout met een opmars in de bouw bezig is.

Bekijk ook deze leerzame video die Cambridge University maakte:
 


Openingsfoto: Opname van de cryo-SEM-microscoop van hout van een spar. Foto University of Cambridge.