{"id":52809,"date":"2018-05-18T07:22:05","date_gmt":"2018-05-18T05:22:05","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=52809"},"modified":"2018-05-17T13:10:03","modified_gmt":"2018-05-17T11:10:03","slug":"staerkstes-biomaterial-der-welt-schlaegt-stahl-und-spinnenseide","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/staerkstes-biomaterial-der-welt-schlaegt-stahl-und-spinnenseide\/","title":{"rendered":"St\u00e4rkstes Biomaterial der Welt schl\u00e4gt Stahl und Spinnenseide"},"content":{"rendered":"

An DESYs R\u00f6ntgenlichtquelle PETRA III hat ein Forscherteam unter schwedischer F\u00fchrung das st\u00e4rkste Biomaterial hergestellt, das je produziert worden ist. Die biologisch abbaubaren k\u00fcnstlichen Zellulosefasern sind st\u00e4rker als Stahl und sogar als die noch st\u00e4rkere Spinnenseide, die gemeinhin als das st\u00e4rkste biologische Material gilt. Das Team um Daniel S\u00f6derberg von der K\u00f6niglichen Technischen Hochschule (KTH) Stockholm stellt seine Arbeit im Fachblatt \u201eACS Nano\u201c der US-amerikanischen Chemischen Gesellschaft (ACS) vor.<\/strong><\/p>\n

\"Ha\u0308r<\/a>
Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer fertigen Faser. Bild: Nitesh Mittal, KTH Stockholm<\/figcaption><\/figure>\n

Das ultrastarke Material besteht aus Zellulose-Nanofasern (CNF), den \u201eGrundbausteinen\u201c von Holz und anderen Pflanzen. Mit Hilfe einer neuen Produktionsmethode haben die Forscher erfolgreich die besonderen mechanischen Eigenschaften der Nanofasern auf ein makroskopisches Material \u00fcbertragen, das sich au\u00dferdem durch sein geringes Gewicht auszeichnet und beispielsweise als umweltfreundliche Kunststoffalternative in Autos, f\u00fcr M\u00f6bel und in Flugzeugen Anwendung finden k\u00f6nnte. \u201eUnser neues Material hat auch Potenzial f\u00fcr die Biomedizin, da Zellulose vom K\u00f6rper nicht abgesto\u00dfen wird\u201c, erl\u00e4utert S\u00f6derberg.<\/p>\n

Die Wissenschaftler nutzen kommerziell angebotene Zellulose-Nanofasern, die nur etwa 2 bis 5 Nanometer d\u00fcnn und bis zu 700 Nanometer lang sind (ein Nanometer ist ein millionstel Millimeter). Die Nanofasern werden in Wasser durch einen d\u00fcnnen, nur einen Millimeter breiten Kanal in einem Stahlblock geschickt. Dieser Kanal besitzt zwei Paare seitlicher Zufl\u00fcsse, durch die entionisertes Wasser sowie Wasser mit niedrigem pH-Wert einflie\u00dfen. Dadurch wird der Strom der Nanofasern zusammengepresst und beschleunigt.<\/p>\n

Diese sogenannte hydrodynamische Fokussierung sorgt daf\u00fcr, dass sich die Nanofasern in der gew\u00fcnschten 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 Kr\u00e4fte zusammen, die zwischen den Nanofasern wirken, beispielsweise elektrostatische und Van-der-Waals-Kr\u00e4fte.<\/p>\n

Im hellen R\u00f6ntgenstrahl von PETRA III konnten die Forscher den Prozess im Detail verfolgen und optimieren. \u201eDas R\u00f6ntgenlicht erlaubt uns, die detaillierte Struktur des Fadens zu analysieren, w\u00e4hrend er entsteht. Das schlie\u00dft sowohl die Materialstruktur ein als auch die hierarchische Ordnung in den superstarken Fasern\u201c, erl\u00e4utert Ko-Autor Stephan Roth, Leiter der Mikro- und Nanofokus-Messstation P03, an der die F\u00e4den gesponnen wurden. \u201eWir haben F\u00e4den von bis zu 15 Mikrometern Dicke und mehreren Metern L\u00e4nge hergestellt\u201c, berichtet Roth. Ein Mikrometer ist ein tausendstel Millimeter. Die F\u00e4den lassen sich den Forschern zufolge auch in gr\u00f6\u00dferer Dicke fertigen.<\/p>\n

Die Untersuchung zeigte eine Biegesteifigkeit des Materials von 86 Gigapascal und eine Zugfestigkeit von 1,57 Gigapascal. \u201eDie von uns hergestellten biobasierten Nanozellulosef\u00e4den sind achtmal steifer und einige Male zugfester als die Abseilf\u00e4den aus nat\u00fcrlicher Spinnenseide\u201c, betont S\u00f6derberg. \u201eWenn man ein biobasiertes Material sucht, gibt es nichts wirklich Vergleichbares. Es ist auch st\u00e4rker als Stahl und alle anderen Metalle oder Legierungen sowie als Fiberglas und die meisten anderen synthetischen Materialien.\u201c Die k\u00fcnstlich hergestellten Zellulosef\u00e4den lassen sich etwa zu einem Stoff f\u00fcr verschiedenste Anwendungen weben. Die Forscher sch\u00e4tzen, dass die Produktionskosten des neuen Materials dabei mit denen besonders fester synthetischer Stoffe konkurrieren k\u00f6nnen. \u201eAus dem neuen Material lassen sich im Prinzip biologisch abbaubare Bauteile entwickeln\u201c, erg\u00e4nzt Roth.<\/p>\n

Die in der Untersuchung beschriebene neue Methode ahmt die F\u00e4higkeit der Natur nach, Zellulose-Nanofasern zu nahezu perfekten makroskopischen Anordnungen zu arrangieren, wie etwa in Holz. Damit er\u00f6ffnet sich die M\u00f6glichkeit, ein Material aus Nanofasern zu entwickeln, das sich f\u00fcr gr\u00f6\u00dfere Werkst\u00fccke nutzen l\u00e4sst, und dabei die Zugfestigkeit und die mechanische Belastbarkeit der Nanofasern zu erhalten.<\/p>\n

\u201eWir k\u00f6nnen jetzt die \u00fcberragende Leistung aus dem Nanokosmos in den Makrokosmos \u00fcbertragen\u201c, betont S\u00f6derberg. \u201eErm\u00f6glicht hat diese Entdeckung dadurch, dass wir gelernt haben, die fundamentalen Schl\u00fcsselparameter f\u00fcr die perfekte Nanostrukturierung wie beispielsweise Partikelgr\u00f6\u00dfe, Wechselwirkungen, Ausrichtung, Ausbreitung, Netzwerkbildung und Gruppierung zu verstehen und zu kontrollieren.\u201c Der Prozess kann den Wissenschaftlern zufolge auch benutzt werden, um beispielsweise die Gruppierung von Kohlenstoff-Nanor\u00f6hrchen oder anderen Nanofasern zu steuern.<\/p>\n

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Originalarbeit<\/h3>\n

Multiscale Control of Nanocellulose Assembly: Transferring Remarkable Nanoscale Fibril Mechanics to Macroscale Fibers; Nitesh Mittal, Farhan Ansari, Krishne Gowda.V, Christophe Brouzet, Pan Chen, Per Tomas Larsson, Stephan V. Roth, Fredrik Lundell, Lars W\u00e5gberg, Nicholas A. Kotov, and L. Daniel S\u00f6derberg; \u201eACS Nano\u201c, 2018; DOI: 10.1021\/acsnano.8b0108<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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