Stärker als Stahl

  • Künstlerische Darstellung der Zellulosefaden-Produktion: Die in Wasser schwimmenden Nano-Fasern werden durch seitliche Wasserstrahlen beschleunigt und richten sich dadurch entlang der Fließrichtung aus, um sich schließlich zu einem gemeinsamen festen Faden zu verhaken. Illustration: DESY/Eberhard ReimannKünstlerische Darstellung der Zellulosefaden-Produktion: Die in Wasser schwimmenden Nano-Fasern werden durch seitliche Wasserstrahlen beschleunigt und richten sich dadurch entlang der Fließrichtung aus, um sich schließlich zu einem gemeinsamen festen Faden zu verhaken. Illustration: DESY/Eberhard Reimann

Stärker als Stahl sind die Zellulosefäden, deren Herstellungsverfahren ein schwedisch-deutsches Forscherteam bei DESY erfolgreich getestet hat. Die innovative Methode flechtet ultrafestes Garn aus nanometerkleinen Zellulose-Fasern, indem diese alle parallel ausgerichtet werden. Die Wissenschaftler präsentieren die Prozedur im Fachjournal „Nature Communications".

Zellulose ist der Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand und formt dort winzigen Fädchen, die sogenannten Fibrillen. Gemessen am Gewicht seien die neuen Fäden stärker als Stahl und Aluminium, erläutert Hauptautor Prof. Fredrik Lundell vom Wallenberg-Holzwissenschaftszentrum an der Königlichen Technischen Hochschule KTH in Stockholm. Die echte Herausforderung sei allerdings, daraus Biomaterialien mit hoher Steifigkeit zu machen, die beispielsweise für Rotorblätter von Windkrafträdern benutzt werden könnten. Mit weiteren Verbesserungen, insbesondere bei der Ausrichtung der Fibrillen, werde dies möglich.

Wasser marsch!

Für ihr Verfahren spülen die Forscher die winzigen, nanometerkleinen Zellulose-Fibrillen mit Wasser durch einen schmalen Kanal. Zwei zusätzliche Wasserstrahlen, die von beiden Seiten in den Kanal münden (s. Abbildung), beschleunigen den Fluss der Fibrillen. Durch die Beschleunigung mit diesen Jets richten sich alle Nanofibrillen mehr oder weniger parallel zur Flussrichtung aus, erläutert Ko-Autor Dr. Stephan Roth, Leiter der Experimentierstation P03 an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III, an der die Versuche stattfanden. Außerdem spülen die Jets Salze in den Fluss. Diese Salze sorgen dafür, dass die Fibrillen sich aneinanderheften und legen damit bereits die Struktur des künftigen Fadens fest.

Anschließend werden die noch feuchten Fasern an der Luft getrocknet, wodurch sie zu einem kräftigen Faden zusammenschrumpfen. Das Trocknen dauere nur ein paar Minuten an der Luft, erklärt Ko-Autor Dr. Daniel Söderberg von der KTH. Das fertige Material sei vollständig biokompatibel, da die natürliche Struktur der Zellulose in den Fibrillen erhalten bleibe.

Es sei daher biologisch abbaubar und sogar verträglich mit menschlichem Gewebe.

Das helle Röntgenlicht von PETRA III erlaubte den Forschern, den Produktionsprozess im Detail zu verfolgen und die Konfiguration der Nanofibrillen an verschiedenen Stellen im Fluss zu überprüfen. Forschung werde heutzutage von interdisziplinärer Zusammenarbeit angetrieben, betont Söderberg. Ohne die große Kompetenz und die Möglichkeiten, die das Team von DESYs Messstation P03 in das Projekt eingebracht habe, wäre dies nicht gelungen.

Stärker als Stahl

Wie die Forscher berichten, ist ihr Garn stärker als alle anderen bisher präsentierten künstlichen Fäden aus Zellulose-Nanofibrillen. Sie können sogar mit den stärksten natürlichen Zellstofffäden mithalten, die man bisher aus Holz extrahiert hat, und besitzen eine gleichhohe Parallelausrichtung der Nanofibrillen. Im Prinzip könne man sehr lange Fäden flechten, betont Lundell. Bis jetzt seien die längsten Probestücke ungefähr zehn Zentimeter lang, aber das sei mehr eine technische Frage und kein grundsätzliches Problem.

Die im Experiment eingesetzten Nanofibrillen stammten aus frischem Holz. Im Prinzip sollte es aber auch möglich sein, Fibrillen zum Beispiel aus Altpapier zu extrahieren, sagt Lundell. Das Potenzial von Recyclingmaterial für diese Technik müsse allerdings erst genauer untersucht werden.

Originalpublikation:
Håkansson K.M.O. et al.: Hydrodynamic alignment and assembly of nanofibrils resulting in strong cellulose filaments, Nature Communications 5, 4018 (2014)

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