Forscher spinnen ultrafeste Zellulosefäden

Stärker als Stahl

Ein schwedisch-deutsches Forscherteam hat bei DESY erfolgreich ein neues Verfahren zur Produktion extrem starker Zellulosefäden getestet. Die innovative Methode flechtet ultrafestes Garn aus nanometerkleinen Zellulosefasern, indem diese alle parallel ausgerichtet werden. Die Wissenschaftler präsentieren die Prozedur im Fachjournal "Nature Communications".

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

Zellulose ist der Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand und formt dort winzige Fädchen, die sogenannten Fibrillen. "Gemessen am Gewicht sind unsere 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 ist 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, wird dies möglich werden."

Für ihr Verfahren spülen die Forscher die winzigen, nanometerkleinen Zellulosefibrillen mit Wasser durch einen schmalen Kanal. Zwei zusätzliche Wasserstrahlen, die von beiden Seiten in den Kanal münden, 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."

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Anschließend werden die noch feuchten Fasern an der Luft getrocknet, wodurch sie zu einem kräftigen Faden zusammenschrumpfen. "Das Trocknen dauert nur ein paar Minuten an der Luft", erklärt Ko-Autor Dr. Daniel Söderberg von der KTH. "Das fertige Material ist vollständig biokompatibel, da die natürliche Struktur der Zellulose in den Fibrillen erhalten bleibt. Es ist 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 wird 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 hat, wäre dies nicht gelungen."

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

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

Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY ist das führende deutsche Beschleunigerzentrum und eines der führenden weltweit. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft und wird zu 90 % vom BMBF und zu 10 % von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert. An seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen bei Berlin entwickelt, baut und betreibt DESY große Teilchenbeschleuniger und erforscht damit die Struktur der Materie. Die Kombination von Forschung mit Photonen und Teilchenphysik bei DESY ist einmalig in Europa.

Originalveröffentlichung:
"Hydrodynamic alignment and assembly of nano-fibrils resulting in strong cellulose filaments", Karl M. O. Håkansson, Andreas B. Fall, Fredrik Lundell, Shun Yu, Christina Krywka, Stephan V. Roth, Gonzalo Santoro, Mathias Kvick, Lisa Prahl Wittberg, Lars Wågberg & L. Daniel Söderberg, Nature Communications, 2014, DOI: 10.1038/ncomms5018.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:
Prof. Fredrik Lundell
Wallenberg Wood Science Center, KTH Mechanics, Stockholm
fredrik@mech.kth.se

Dr. Stephan Roth
DESY Photon Science
stephan.roth@desy.de

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