Forscher nutzen Fructose als Ausgangsstoff f\u00fcr einen Biokunststoff, der sich bei Bestrahlung durch UV-Licht wieder in seine Bestandteile zerlegt. Sie greifen dabei auf das Prinzip der Photolyse zur\u00fcck, indem sie sogenannte Caged-Verbindungen in die Polymerketten einbauen.<\/p>\n
Biomasse ist ein Rohstoff, der prinzipiell im \u00dcberfluss vorhanden und damit zu beschaffen und obendrein erneuerbar ist. Sie bildet die Grundlage der biobasierten Wirtschaft, die Bio\u00f6konomie. Drei Verbindungsklassen sind dabei von besonderer Bedeutung: Proteine, Fette und Kohlenhydrate. Letztere standen im Rahmen einer Machbarkeitsstudie im Fokus, bei der es einem Forscherteam gelungen ist, einen biobasierten Kunststoff mit einer besonderen Eigenschaft herzustellen. Er recycelt sich unter Licht quasi von selbst.<\/p>\n
Kohlenhydrate machen den Gro\u00dfteil der Biomasse aus. Dazu z\u00e4hlen unter anderen die Einfachzucker Glucose und Fructose. Beide dienen als Ausgangsstoff f\u00fcr chemische Verbindungen, die f\u00fcr die Industrie von Nutzen sind. Hydroxymethylfurfural (HMF) ist eine Verbindung, die dabei h\u00e4ufig eine wichtige Rolle spielt und bei der Zersetzung von Kohlenhydraten entsteht. L\u00e4sst man diese Verbindung oxidieren, entsteht 2,5-Furandicarbons\u00e4ure (FDCA). Beide Stoffe geh\u00f6ren zu den wichtigsten biobasierten Chemikalien f\u00fcr die Industrie und bildeten in der Studie die Grundbausteine, die Monomere, f\u00fcr den sich selbst-recycelnden Biokunststoff.<\/p>\n
Um den Zersetzungsprozess unter Lichteinfluss in Gang zu setzen, bauten die Forscher bei der Polymerisation Nitrobenzyl-Verbindungen ein (2-Nitro-1,3-Benzenedimethanol). Diese geh\u00f6ren zur Klasse der \u201eCaged-Verbindungen\u201c (engl. K\u00e4fig), die wiederum zu den photolysierbaren Verbindungen geh\u00f6ren. Dabei handelt es sich um chemische Verbindungen, deren Molek\u00fcle sich unter dem Einfluss von Licht spalten bzw. eine chemische Reaktion eingehen (Photolyse). Die Polymerisation ist ein entscheidender Schritt bei der Herstellung von Kunststoffen, da bei diesem Prozess die Monomere zu langen Polymerketten zusammengesetzt werden.<\/p>\n
Da f\u00fcr die Spaltung der Caged-Molek\u00fcle die Wellenl\u00e4nge ausschlaggebend ist, diese aber ansonsten stabil und biochemisch inaktiv bleiben und dar\u00fcber hinaus gut l\u00f6slich und relativ ungiftig sind, machten sich die Forscher diese Eigenschaften bei der Entwicklung des Biokunststoffs zunutze. Es zeigte sich, dass die Caged-Verbindungen durch die Bestrahlung mit ultraviolettem Licht mit einer Wellenl\u00e4nge von 350 Nanometer (Schwarzlicht) aufbrachen und infolgedessen sich die Polymerketten wieder in ihre Einzelteile aufl\u00f6sten. Die Forscher l\u00f6sten den pulverf\u00f6rmigen, hellbraunen Biokunststoff in einem L\u00f6sungsmittel auf und beobachteten, dass die anfangs noch tr\u00fcbe L\u00f6sung nach f\u00fcnf Stunden vollst\u00e4ndig transparent war. Zur\u00fcckblieben die Monomere, die anschlie\u00dfend wiederverwendet werden konnten. Dieses Prinzip lie\u00df sich in weiteren Versuchen auch auf Polymerketten \u00fcbertragen, die sowohl aus unterschiedlichen Monomer-Einheiten zusammengesetzt waren (Copolymere) als auch aus Monomeren bestanden, die nicht aus Biomasse hergestellt worden sind.<\/p>\n
Biokunststoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie entweder biobasiert oder biologisch abbaubar oder im besten Fall beides sind. Berechnungen der EU zufolge wird die Produktion von j\u00e4hrlich 1,4 Millionen Tonnen im Jahr 2012 auf 6,2 Millionen Tonnen im Jahr 2017 zunehmen. Die landwirtschaftliche Fl\u00e4che, die zur Herstellung der Biomasse erforderlich war, betrug im Jahr 2012 rund 0,4 Millionen Hektar Land bzw. 0,01 % der weltweit der Landwirtschaft zur Verf\u00fcgung stehenden Fl\u00e4che von f\u00fcnf Milliarden Hektar. Aufgrund von Effizienzsteigerungen in der Landwirtschaft und einer besseren Verkn\u00fcpfung der Wertsch\u00f6pfungsketten wird der Fl\u00e4chenbedarf jedoch geringer ansteigen als die Produktion und 2017 voraussichtlich rund 1,2 Millionen Hektar betragen. Vor diesem Hintergrund k\u00f6nnte die Idee, Biokunststoffe vollst\u00e4ndig zu recyceln, einen weiteren positiven Effekt entfalten, wie die Wissenschaftler erkl\u00e4ren.<\/p>\n
\u201eDer Ansatz, aus Biomasse hergestellte Materialien durch Licht abbauen zu lassen, k\u00f6nnte helfen, die Umweltbelastung weiter zu senken, die durch die Freisetzung giftiger Chemikalien beim Abbau von erd\u00f6lbasierten Kunststoffen entsteht\u201c, erkl\u00e4rt Saravanakumar Rajendran und f\u00e4hrt fort, \u201eHinzu kommt, dass durch das Recycling die Nachfrage nach Rohstoffen bzw. Biomasse f\u00fcr die Kunststoffherstellung gesenkt werden kann\u201c.<\/p>\n
Bevor jedoch der erste durch UV-Licht recycelbare Biokunststoff auf den Markt kommt, ist es noch ein weiter Weg. Zurzeit untersuchen die Forscher, ob und wie sich die lichtempfindliche Nitrobenzyl-Verbindungen in den Polymeren auf die Stabilit\u00e4t und andere Eigenschaften auswirken. Da Kunststoffe heute jedoch in vielen Alltagsgegenst\u00e4nden stecken und zudem oft als Verbundwerkstoffe mit mehreren Materialien kombiniert werden, muss das Gesamtprodukt analysiert werden. Prinzipiell aber stellt sich nicht die Frage, ob ein derartiger Kunststoff zum Einsatz kommen k\u00f6nnte, sondern vor allem wann und in welchem Bereich.<\/p>\n
<\/p>\n