Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der hergestellten Zellulosefaser.
Nitesh Mittal | KTH Stockholm
An DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III hat ein Forscherteam unter schwedischer Führung ein ultrastarkes Biomaterial aus Zellulose-Nanofasern (CNF) entwickelt. Mit Hilfe einer neuen Produktionsmethode haben die Forscher erfolgreich die besonderen mechanischen Eigenschaften der Nanofasern auf ein makroskopisches Material übertragen, das sich außerdem durch sein geringes Gewicht auszeichnet und beispielsweise als umweltfreundliche Kunststoffalternative in Autos, für Möbel und in Flugzeugen Anwendung finden könnte. "Unser neues Material hat auch Potenzial für die Biomedizin, da Zellulose vom Körper nicht abgestoßen wird", erläutert Daniel Söderberg von der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) Stockholm. Die neue Methode ahmt die Fähigkeit der Natur nach, Zellulose-Nanofasern zu nahezu perfekten makroskopischen Anordnungen zu arrangieren, wie etwa in Holz.
Die Wissenschaftler nutzen kommerziell angebotene Zellulose-Nanofasern, die in Wasser durch einen dünnen Kanal in einem Stahlblock geschickt werden. Dieser Kanal besitzt zwei Paare seitlicher Zuflüsse, durch die entionisertes Wasser sowie Wasser mit niedrigem pH-Wert einfließen. Dadurch wird der Strom der Nanofasern zusammengepresst und beschleunigt. Diese sogenannte hydrodynamische Fokussierung sorgt dafür, dass sich die Nanofasern in der richtigen Orientierung ausrichten und sich von selbst zu einem eng gepackten Faden zusammenlagern. Die Nanofasern haften dabei durch supramolekulare Kräfte zusammen, die zwischen den Nanofasern wirken.
Im hellen Röntgenstrahl von PETRA III konnten die Forscher den Prozess im Detail verfolgen und optimieren. Die Untersuchung zeigte eine Biegesteifigkeit des Materials von 86 Gigapascal und eine Zugfestigkeit von 1,57 Gigapascal. "Die von uns hergestellten biobasierten Nanozellulosefäden sind achtmal steifer und einige Male zugfester als die Abseilfäden aus natürlicher Spinnenseide", betont Söderberg. "Es ist auch stärker als Stahl und alle anderen Metalle oder Legierungen sowie als Fiberglas und die meisten anderen synthetischen Materialien." Die künstlich hergestellten Zellulosefäden lassen sich zu einem Stoff für verschiedene Anwendungen weben. Die Forscher schätzen, dass die Produktionskosten des neuen Materials dabei mit denen besonders fester synthetischer Stoffe konkurrieren können. Das Team um Söderberg stellt seine Arbeit im Fachblatt "ACS Nano" der US-amerikanischen Chemischen Gesellschaft (ACS) vor.