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Stärker als Stahl

Forscher spinnen ultrafeste Zellulosefäden an DESYs Röntgenlichtquelle PETRA III

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 Zellulose-Fasern, indem diese alle parallel ausgerichtet werden. Die Wissenschaftler präsentieren die Prozedur im Fachjournal „Nature Communications“.

Zellulose ist der Hauptbestandteil der pflanzlichen Zellwand und formt dort winzigen 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, nanometerkleine Zellulose-Fibrillen 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.“

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 Zellulose-Nanofibrillen. 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.“

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