Biomaterial entwickelt, das stärker als Stahl und Spinnenseide ist

17. Mai 2018, 09:45
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Künstliche Zellulose-Nanofasern am Hamburger Forschungszentrum DESY hergestellt

foto: nitesh mittal, kth stockholm
So sieht die Faser beim Blick durchs Rasterelektronenmikroskop aus.

Hamburg – Wissenschafter haben am Hamburger Forschungszentrum DESY das stärkste Biomaterial hergestellt, das je produziert worden ist. Die biologisch abbaubaren künstlichen Zellulosefasern seien stärker als Stahl und sogar als Spinnenseide, die gemeinhin als das stärkste biologische Material gilt, teilte das Forschungszentrum mit.

Das Team um Daniel Söderberg von der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellte seine Arbeit im amerikanischen Fachblatt "ACS Nano" vor. Die Forscher hatten die Röntgenlichtquelle Petra III vom Desy für ihre Arbeit genutzt.

Das ultrastarke Material besteht aus Zellulose-Nanofasern, entsprechend den Grundbausteinen von Holz. Mit ihrer neuen Produktionsmethode hätten die Forscher erfolgreich die besonderen mechanischen Eigenschaften der Nanofasern auf ein makroskopisches Material übertragen, das sich außerdem durch sein geringes Gewicht auszeichne, teilte das Forschungszentrum mit.

Die Herstellung

Die Wissenschaftler nutzen kommerziell angebotene Zellulose-Nanofasern, die nur etwa 2 bis 5 Nanometer dünn und bis zu 700 Nanometer lang sind (ein Nanometer ist ein millionstel Millimeter). Die Nanofasern werden in Wasser durch einen dünnen, nur einen Millimeter breiten Kanal in einem Stahlblock geschickt. Dieser Kanal besitzt zwei Paare seitlicher Zuflüsse, durch die entionisertes Wasser sowie Wasser mit niedrigem pH-Wert einfließen. Dadurch wird der Strom der Nanofasern zusammengepresst und beschleunigt.

Diese sogenannte hydrodynamische Fokussierung sorgt dafür, dass sich die Nanofasern in der richtigen Orientierung ausrichten und sich von selbst zu einem eng gepackten Faden zusammenlagern. Die Nanofasern haften dabei ganz ohne Klebstoff oder irgendeine andere Zutat durch sogenannte supramolekulare Kräfte zusammen, die zwischen den Nanofasern wirken, beispielsweise elektrostatische und Van-der-Waals-Kräfte.

Mögliche Verwendungsweisen

Die anschließende Untersuchung zeigte eine Biegesteifigkeit des Materials von 86 Gigapascal und eine Zugfestigkeit von 1,57 Gigapascal. "Die von uns hergestellten biobasierten Nanozellulosefäden sind achtmal steifer und einige Male zugfester als die Abseilfäden aus natürlicher Spinnenseide", sagt Söderberg. "Wenn man ein biobasiertes Material sucht, gibt es nichts wirklich Vergleichbares."

Das Material könnte beispielsweise als umweltfreundliche Kunststoffalternative in Autos, für Möbel und in Flugzeugen genutzt werden. "Unser neues Material hat auch Potenzial für die Biomedizin, da Zellulose vom Körper nicht abgestoßen wird", sagte Söderberg. (APA, red, 17. 5. 2018)

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