Wie das stärkste Biomaterial der Welt entsteht

Mit Hilfe einer neuen Produktionsmethode hat ein Forscherteam unter schwedischer Führung kürzlich das stärkste Biomaterial der Welt hergestellt: stärker als Stahl und Spinnenseide, die als stärkstes Biomaterial der Welt gilt. Die Forscher um Daniel Söderberg von der Königlichen Technischen Hochschule Stockholm stellten ihre Arbeit im wissenschaftlichen Fachblatt ACS der US-amerikanischen Chemischen Gesellschaft vor.

Die Basis für das neue Material sind Zellulose-Nanofasern (CNF). Sie bestehen aus den Grundbausteinen des Holzes und anderer Pflanzen und werden als zwei bis fünf Nanometer dünne und bis zu 700 Nanometer lange Fasern kommerziell angeboten. Ein Nanometer ist ein Millionstelmillimeter. Die einzelnen Fasern weisen eine erstaunliche Festigkeit auf. Fügt man sie auf spezielle Weise aneinander, entsteht aus den einzelnen Nanofasern ein noch erstaunlicheres Makromaterial. Die Forscher schickten Nanofasern durch einen ein Millimeter breiten Kanal in einem Stahlblock. Der verfügt über vier seitliche Zuflüsse, durch die entionisiertes Wasser sowie Wasser mit niedrigem pH-Wert gepresst wurde. Solcherart konnten die Nanofasern aneinandergedrückt und beschleunigt werden.

Fokussierung unter Druck

Hydrodynamische Fokussierung nennen die Forscher den Prozess. Er verursacht, dass sich die Nanofasern zu einem Faden ausrichten und zusammenlagern. Dabei wird kein Klebstoff benötigt. Die Fasern halten durch supramolekulare Kräfte zusammen, beispielsweise elektrostatische und Van-der Waals-Kräfte. Unter dem leistungsstarken und brillanten Röntgenlicht von PETRA III am Deutschen Elektronen-Synchroton (DESY) der Helmholtz-Forschungsgemeinschaft beobachteten und optimierten die Forscher den Prozess live. "Wir haben Fäden von bis zu 15 Mikrometern Dicke und mehreren Metern Länge hergestellt", berichtet Studien-Co-Autor Stephan Roth. Ihm zufolge ließen sich auch Fäden in größerer Dicke auf diese Art fertigen. Ein Mikrometer ist ein Tausendstelmillimeter.

"Da wir nun die Schlüsselparameter für die Strukturierung der Faser verstehen, können wir deren überragende Leistungen aus dem Nanokosmos in den Makrokosmos übertragen", sagt Söderberg. Der Prozess könne auch die Gruppierung anderer Materialien steuern, etwa von Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die geschätzten Produktionskosten würden mit jenen für besonders feste synthetische Stoffe konkurrieren.

Umweltfreundliche Alternative

"Aus dem neuen Material lassen sich im Prinzip biologisch abbaubare Bauteile – auch größere Werkstücke – entwickeln", sagt Roth. Als umweltfreundliche Kunststoffalternative bei geringem Gewicht ließe sich das Material in Autos, für Flugzeuge oder Möbel einsetzen, heißt es. "Es hat auch Potenzial für die Biomedizin, da Zellulose vom Körper nicht abgestoßen wird", erklärt Söderberg. Die Fäden seien achtmal steifer und und einige Male zugfester als die Abseilfäden der natürlichen Spinnenseide. "Wenn man ein biobasiertes Material sucht, gibt es nichts Vergleichbares. Es ist auch stärker als Stahl und alle anderen Metalle oder Legierungen sowie als Fiberglas und die meisten anderen synthetischen Materialien." Die künstlich hergestellten Zellulosefäden ließen sich auch zu einem Stoff weben.

Die Untersuchungen zeigten eine Biegesteifigkeit des Materials von 86 Gigapascal und eine Zugfestigkeit von 1,57 Gigapascal.