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16.05.2018

Ultrastarke Nanofasern aus Cellulose

Ein internationales Forscherteam hat mit Röntgenstrahlen am Hamburger DESY ein ultrastarkes Biomaterial hergestellt, das selbst Spinnenseide in den Schatten stellt.

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der fertigen Faser.
Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme der fertigen Nanocellulosefaser.
Quelle: 
Nitesh Mittal, KTH Stockholm

Fäden aus Spinnenseide sind bisher das belastbarste Biomaterial der Welt. Es ist nicht nur stärker als Stahl, sondern besitzt gleichfalls antibakterielle Eigenschaften, was sie für medizinische Anwendungen wie Brustimplantatbeschichtungen interessant macht. Nun haben Forscher ein biologisch abbaubares Material entwickelt, das sogar noch stärker als Spinnenseide ist. Bei dem ultrastarken Biofaden handelt es sich um Nanofasern aus Cellulose - einem Hauptbestandteil von Holz und anderen Pflanzen.

Steifer und zugfester als Spinnenseidefäden

Die nunmehr stärkste Biofaser der Welt wurde unter Leitung schwedischer Forscher von der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) Stockholm an der Röntgenlichtquelle PETRA III am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY gemeinsam mit dem schwedischen Forschungsinstitut RISE Bioeconomy, der Stanford-Universität und  der Universität von Michigan hergestellt. „Die von uns hergestellten biobasierten Nanocellulosefäden sind achtmal steifer und einige Male zugfester als die Abseilfäden aus natürlicher Spinnenseide. Es ist auch stärker als Stahl und alle anderen Metalle oder Legierungen sowie als Fiberglas und die meisten anderen synthetischen Materialien“, betont Söderberg. Der Stockholmer Wissenschaftler ist überzeugt, dass es ein vergleichbares biobasiertes Material nicht gibt. Wie das Team um Söderburg im Fachjournal „ACS Nano“ berichtet, besitzt die Cellulose-Nanofaser eine Biegesteifigkeit von 86 Gigapascal und eine Zugfestigkeit von 1,57 Gigapascal. 

Leichte Kunststoffalternative für Medizin und Bauteile

Ähnlich wie Spinnenseidefäden haben die künstlich hergestellten Holzfasern auch das Potenzial in der Medizin eingesetzt zu werden, da Cellulose vom Körper nicht abgestoßen wird. Die Faser ist zudem sehr leicht und deshalb eine umweltfreundliche Kunststoffalternative zur Herstellung von Auto- und Flugzeugteilen oder Möbeln. „Aus dem neuen Material lassen sich im Prinzip biologisch abbaubare Bauteile entwickeln“, ergänzt Stephan Roth, DESY-Wissenschaftler und Leiter der dortigen Mikro- und Nanofokus-Messstation P03, an der die ultrastarken Fäden gesponnen wurden.

Herkömmliche Cellulose-Nanofasern wurden dabei in Wasser durch einen dünnen, nur einen Millimeter breiten Kanal in einem Stahlblock geschickt, wo über zwei seitliche Zuflüsse, entionisertes Wasser sowie Wasser mit niedrigem pH-Wert einflossen. Dadurch wurde der Strom der Nanofasern zusammengepresst und beschleunigt. Diese sogenannte hydrodynamische Fokussierung sorgte dafür, dass sich die Nanofasern ausrichteten und sich selbstständig, ganz ohne Klebstoff und andere Zutaten, zu einem Faden zusammenlegten.

Ultrastarke Fasern dank Röntgenlicht

Mithilfe von DESY`s Röntgenlichtquelle konnten die Forscher die Herstellung der Fasern beobachten und optimieren. So gelang es ihnen, vor allem die besonderen mechanischen Eigenschaften der Nanofasern auf ein makroskopisches Material zu übertragen und das Verfahren alltagstauglich zu machen. „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“, erläutert Roth. Dem Forscher zufolge konnten so Fäden von bis zu 15 Mikrometern Dicke und mehreren Metern Länge hergestellt werden.

Nanofasern bereit für Makroanforderungen

Die neue Methode ahmt dabei die Fähigkeit der Natur nach, Cellulose-Nanofasern zu nahezu perfekten makroskopischen Anordnungen zu arrangieren, wie es bei Holz der Fall ist. Die Forscher haben damit den Weg bereitet, Nanomaterialien künftig auch für die Herstellung größerer Werkstücke zu nutzen, ohne dass Zugfestigkeit und mechanische Belastbarkeit der Nanofasern leiden.

bb

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