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21.08.2019 | Materialentwicklung | Im Fokus | Onlineartikel

Maschinenbau + Werkstoffe

Superwerkstoff aus Zellulose-Nanofasern

Autor:
Dieter Beste

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat ein Material mit außergewöhnlichen Eigenschaften hergestellt. Die biologisch abbaubaren künstlichen Zellulosefasern sind stärker als Stahl und zugfester als Spinnenseide, die bislang als stärkstes natürliches Material galt.

Holz ist ein wichtiger natürlicher Werkstoff. Mehr noch: Holz entsteht durch natürliches Wachstum und ist deshalb regenerierbar. Der Materialaufbau könne am besten als hierarchische Struktur verstanden werden, die bei den Zellulosemolekülen in den Zellwänden beginne und bei der Jahresringstruktur ende, charakterisieren die Springer-Autoren Erhard Hornbogen, Gunther Eggeler und Ewald Werner den natürlichen Verbundwerkstoff in "Werkstoffe" (Seite 439). Organische Kettenmoleküle bilden die Struktur der festen Zellulosefasern, die durch Lignin im Holz verbunden sind. Es handele sich um einen "Werkstoff mit einem ausgezeichneten Verhältnis von Zugfestigkeit (in der Faserrichtung) zur Dichte, der auch durch die neuesten Entwicklungen künstlich hergestellter Verbundstoffe kaum übertroffen wird" (Seite 414).

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Die Produktion von ultrastarken Zellulosefäden ist seit längerem in großem Maßstab möglich. Jetzt hat ein schwedisch-deutsches Forscherteam unter Leitung von Daniel Söderberg vom Wallenberg-Holzforschungsinstitut der Königlich-Technischen Hochschule Stockholm an der Röntgenlichtquelle PETRA III des Deutschen Elektronen-Synchrotron (Desy) in Hamburg das nach eigenen Angaben stärkste bekannte Biomaterial herstellen können und es mit diesem wissenschaftlichen Erfolg kürzlich sogar bis in die Fernsehnachrichten geschafft. 

Die Wissenschaftler nutzten als Grundmaterial kommerziell angebotene Zellulose-Nanofasern, die etwa 2 bis 5 Nanometer dünn und bis zu 700 Nanometer lang sind. Mit Hilfe einer neuen Produktionsmethode gelang es ihnen, die besonderen mechanischen Eigenschaften der Zellulose-Nanofasern auf ein makroskopisches Material zu übertragen. Dabei werden die Nanofasern in Wasser durch einen dünnen, nur einen Millimeter breiten Kanal in einem Stahlblock geschickt. Dieser Kanal nun besitzt seitliche Zuflüsse, durch die entionisiertes Wasser sowie Wasser mit niedrigem pH-Wert einfließen kann. Damit haben die Forscher den Strom der Nanofasern zusammengepresst und beschleunigt – ein Prozess, der hydrodynamische Fokussierung genannt wird und dafür sorgt, dass sich die Nanofasern in der gewünschten Orientierung ausrichten und sich von selbst zu einem eng gepackten makroskopischen Faden zusammenlagern. Die Forscher berichten, dass die Nanofasern allein durch supramolekulare Kräfte zusammenhaften, die zwischen den Nanofasern wirken, beispielsweise elektrostatische und Van-der-Waals-Kräfte. 

Produktion unter Röntgenlicht

Im Röntgenlicht von PETRA III konnten die Forscher diesen Prozess im Detail verfolgen und optimieren. "Das Röntgenlicht erlaubt uns, die detaillierte Struktur des Fadens zu analysieren, während er entsteht. Das schließt sowohl die Materialstruktur ein als auch die hierarchische Ordnung in den superstarken Fasern", berichtet Stephan Roth von Desy. "Wir haben Fäden von bis zu 15 Mikrometern Dicke und mehreren Metern Länge hergestellt." Im Werkstofflabor wiesen die so entstandenen Zellulose-Fäden eine Biegesteifigkeit von 86 Gigapascal und eine Zugfestigkeit von 1,57 Gigapascal auf. "Die von uns hergestellten biobasierten Nanozellulosefäden sind achtmal steifer und einige Male zugfester als die Abseilfäden aus natürlicher Spinnenseide", vergleicht Daniel Söderberg. 

Vielfältige Anwendungen 

Die von den Forschern jetzt im Fachblatt "Macromolecules" publizierte Herstellmethode ahmt die Fähigkeit der Natur nach, Zellulose-Nanofasern zu nahezu perfekten makroskopischen Anordnungen zu arrangieren. Die Wissenschaftler hoffen nun auf eine Reihe vielversprechender Anwendungen für das Material, das sich durch sein geringes Gewicht auszeichne und sich prinzipiell sogar für den 3D-Druck eigne, da sein Herstellungsprozess flüssig in Wasser ablaufe. Der neue Zellulosewerkstoff komme als umweltfreundliche Kunststoffalternative etwa für den Einsatz in Autos und Flugzeugen, für Möbel und beispielsweise für die Rotorblätter von Windenergieanlagen infrage, sagt Söderberg. Und: "Unser neues Material hat auch Potenzial für die Biomedizin, da Zellulose vom Körper nicht abgestoßen wird."


 

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