Technik

Ultrastark und ultraleicht: Neues Bio-Nanomaterial aus Holz

von Carola Franzke

Mit Hilfe des Desy in Hamburg wurde ein neues Biomaterial aus Holzfasern entwickelt. Es ist stärker als Stahl, dabei aber leicht wie Spinnenseide.

Ein Spinnennetz mit Morgentau.
Spinnenfäden galten bisher als stärkstes Biomaterial. Foto: Shutterstock / Kristel Thorn

Das erfahren Sie gleich:

  • Wie Biomaterial stärker als Stahl und so leicht wie Spinnenfäden in Schweden entsteht
  • Warum Holz das neue Biomaterial im Nanobereich ist
  • Wie das Desy (Deutsches Elektronen-Synchrotron) in Hamburg die Schweden bei der Forschung unterstützt

Stärker als Stahl, leicht wie Spinnenfäden

Der schwedische Materialforscher Daniel Söderberg von der Königlich Technische Hochschule, kurz KTH, Stockholm hat mit seiner Arbeitsgruppe neuartige Nanofasern aus Holz entwickelt. Die Technik basiert auf Zellulose-Nanofasern wie sie in Holz und Pflanzenzellen vorkommen.

Es ist das bisher widerstandsfähigste Biomaterial, die Zugfestigkeit der Fasern übertrifft sogar Stahl – und Spinnenfäden, die bisher als stärkstes Biomaterial gelten.

Unsere Nanofäden sind achtmal steifer und um ein Mehrfaches reißfester als Spinnenfäden.

Daniel Söderberg, KTH Stockholm

Dass Holz viele Talente hat, zeigt sich auch in der Verwendung als Biotreibstoff.

Das neue Biomaterial im Nanobereich

Die Nanofäden könnten sich weiterverarbeiten lassen. So wären sie beispielsweise als umweltfreundliche Alternative zu Kunststoffen im Fahrzeug- und Flugzeugbau einsetzbar. Das sehr leichte und zudem hochfeste Material könnte Gewicht reduzieren, ohne auf Sicherheit und Ausstattungskomfort verzichten zu müssen. Der Schwede sieht auch Potenzial für medizinische Anwendungen, etwa für Implantate, denn:

Zellulose wird vom Körper nicht abgestoßen.

Daniel Söderberg

In dem Produktionsverfahren des neuen Biomaterials konnten Holz-Zellulosefasern – sogenannte Fibrillen – parallel ausgerichtet werden. Die winzigen Fibrillen sind in sich sehr fest und widerstandsfähig, aber im natürlichen Holz chaotisch angeordnet.

Forschung am Desy in Hamburg

Bei der Herstellung des Nano-Biomaterials beeinflussen die Forscher zunächst der pH-Wert der Fibrillen. Danach werden die Fasern durch einen millimeterdünnen Kanal gedrückt. Dabei führt das System ebenfalls Wasser mit anderem pH-Wert durch den Kanal.

Die unterschiedlichen pH-Werte beeinflussen die Oberflächenladungen. Das sorgt dafür, dass sich die Faserbestandteile beim Drücken durch den Kanal parallel ausrichten und nicht verklumpen. Der Kanal verengt sich auf ein hundertstel dieses Wertes, sodass am Ende ein extrem dünner, hochstrukturierter Faden aus den parallel ausgerichteten Fibrillen entsteht. In wissenschaftlichen Fachmagazinen findet sich das Material unter der DOI-Nummer: 10.1021/acsnano.8b01084.

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Zur Überwachung des Experiments setzten die Forscher die Röntgenlichtquelle PETRA III (Positron-Elektron-Tandem-Ring-Anlage) des Hamburger Forschungszentrums Desy (Deutsches Elektronen-Synchrotron) ein. Das Beugungsmuster der Röntgenstrahlung bestätigte dabei, dass sich die Fibrillen im Produktionsprozess parallel anordnen und durch zwischenmolekulare Bindungskräfte aneinanderhaften. Der Grundstein für das neue Biomaterial ist also gelegt.

Aber Holz kann noch mehr. Wie aus Holz etwa eine Windschutzscheibe für das Auto wird, das lesen Sie ebenfalls bei aio.

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