Biegen, bis der Klettverschluss aufgeht

3. Jänner 2004, 10:30
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Molekulare Mechanismen für die Verformbarkeit von Holz geklärt

Wissenschafter aus Österreich, Deutschland und Frankreich haben in der Zellwand von Holz einen molekularen Mechanismus entdeckt, mit dem sich Holz - ähnlich wie Metall - verformen kann, ohne dass Beschädigungen auftreten. Diese Verformung beruht auf spiralförmig gewundenen Zellulosefibrillen, die in der Wand der Holzzellen liegen und durch eine Matrix aus Polymeren miteinander verbunden sind. Werden diese Fibrillen nun durch starke Kräfte verdreht, löst sich ihre Verbindung untereinander und rastet - sobald diese äußeren Kräfte nachlassen - in einer neuen Position wieder ein, wie bei einem Klettverschluss.

Mikroskopisch betrachtet ist Holz ein komplex aufgebautes Material, das komplett aus Polymeren besteht und dennoch bemerkenswert fest ist. Ein Grund dafür ist seine Adaptionsfähigkeit: Holz kann nicht nur die äußere Form eines Stamms oder Asts, sondern auch seine molekulare Struktur an die natürlichen Anforderungen anpassen. Es besteht im Wesentlichen aus parallelen Röhren, den Holzzellen, deren Zellwände aus Zellulosefibrillen sowie einer Matrix aus Hemizellulose und Lignin aufgebaut sind.

Die nur wenige Nanometer dicken Zellulosefibrillen sind wiederum spiralförmig um den zylindrischen Hohlraum der Holzzelle gewickelt. Bisher war wenig darüber bekannt, ob die Steifigkeit und Dehnbarkeit des Holzes eher durch diese Fibrillen in der Zellwand oder durch Interaktionen zwischen den Holzzellen selbst beeinflusst wird.

Um hinter die molekularen Details dieser Verformungsmechanismen innerhalb der Zellwand zu kommen, haben die Wissenschafter - das österreichische Team unter Leitung von Stefanie Stanzl-Tschegg von der Wiener Universität für Bodenkultur wurde vom Wissenschaftsfonds unterstützt - unterschiedliche Holzproben mit Röntgenstrahlung untersucht. Dazu wurden dünne Holzfolien und auch einzelne Holzzellen präpariert. Die Holzzellen mit einem Durchmesser von 25 Mikrometern, also deutlich dünner als ein menschliches Haar, wurden dann kontrolliert gedehnt und simultan mit der Streuung von Synchrotronstrahlung, einem speziellen Verfahren für die wissenschaftliche Bildgebung, analysiert.

Mit dieser Methode konnten die Wissenschafter erstmals messen, wie sich der Spiralwinkel der Zellulosefibrillen während der Verformung verändert. Die Forscher stellten fest, dass Holzzellen ähnlich wie Spiralfedern reagieren, denn auch im Holz wurde der Winkel der Spiralen mit zunehmender Dehnung immer steiler. Damit war klar, dass der Verformungsmechanismus nicht durch Zell-Zell-Interaktionen, sondern innerhalb der Zellwand vermittelt wird.

Die Wissenschafter konnten aufgrund der Analysen nurn erstmals genau klären, wieso Holz stark verformt werden kann, ohne dass es beschädigt wird. Diese Eigenschaft kennt man eigentlich nur von Metallen: Diese kann man walzen oder schmieden und sie sind danach genauso steif wie zuvor. Doch die Metalle haben dafür einen speziellen Mechanismus, bei dem so genannte Versetzungen durch das Kristallgitter gleiten, ohne das Metallgitter zu schädigen. Etwas Vergleichbares aber war bisher für Polymer-Verbund-Materialien wie eben Holz nicht bekannt. Die neuen Untersuchungen zeigen jetzt, dass sich die Polymermatrix, welche die Nanofasern aus Zellulose verbindet, ähnlich wie ein Klettverschluss öffnen und dann in einer neuen Position wieder einrasten kann. Bäume können sich dem Sturm beugen.

Welche molekularen Bindungen bei diesem Öffnen und Schließen tatsächlich beteiligt sind, ist noch nicht klar. Doch die Forscher gehen davon aus, dass sich bei der Verformung eine größere Zahl unspezifischer chemischer Bindungen vorübergehend löst. Sobald der äußere Stress - Windeinwirkung oder mechanische Belastung - aufhört, gleiten die Nanofibrillen nicht zurück, sondern rasten gewissermaßen an einer anderen Stelle wieder ein, indem sich dort die zuvor geöffneten chemischen Bindungen wieder schließen. Das ist der tiefere Grund, warum sich Holz zerstörungsfrei verformen lässt. (DER STANDARD, Print-Ausgabe, 3./4. 12. 2004)

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