{"id":64962,"date":"2019-07-17T06:41:29","date_gmt":"2019-07-17T04:41:29","guid":{"rendered":"https:\/\/rss.nova-institut.net\/public.php?url=http%3A%2F%2Fwww.innovations-report.de%2Fhtml%2Fberichte%2Fverfahrenstechnologie%2Fnano-papier-zum-spruehen.html"},"modified":"2019-07-14T14:02:53","modified_gmt":"2019-07-14T12:02:53","slug":"nano-papier-zum-spruehen","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/nano-papier-zum-spruehen\/","title":{"rendered":"Nano-Papier zum Spr\u00fchen"},"content":{"rendered":"

Mit einem neuen Spr\u00fchverfahren lassen sich sehr gleichm\u00e4\u00dfige Schichten aus Zellulose-Nanofasern (CNF) im industriellen Ma\u00dfstab produzieren. R\u00f6ntgenuntersuchungen an DESYs Forschungslichtquelle PETRA III sowie Untersuchungen mit einem Rasterkraftmikroskop und per Neutronenstreuung zeigen dabei, wie die Schichtstruktur aufgebaut ist und sich f\u00fcr verschiedene Zwecke wie beispielsweise extrem d\u00fcnnes, glattes und festes Nanopapier ma\u00dfschneidern l\u00e4sst. Ein schwedisch-deutsches Forschungsteam um DESY-Wissenschaftler Stephan Roth stellt seine Strukturanalysen im Fachblatt \u201eMacromolecules\u201c vor.<\/strong><\/p>\n

\u201ePor\u00f6se, nanostrukturierte Zellulosefilme besitzen eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften, die sie f\u00fcr verschiedene Anwendungen interessant machen, von ultrastarken bioaktiven Fasern bis hin zu transparentem leitf\u00e4higem Nanopapier\u201c, erl\u00e4utert der Hauptautor der Studie, Calvin Brett von DESY und der K\u00f6niglich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm. \u201eSie sind leicht und temperaturstabil, haben hervorragende mechanische Eigenschaften, eine geringe Dichte und bestehen aus nachwachsenden Rohstoffen \u2013 die Zellulose-Nanofasern werden in der Regel aus Holz gewonnen.\u201c<\/p>\n

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Die Untersuchung mit dem Rasterkraftmikroskop zeigt: Das Nano-Papier ist extrem glatt. Bild: DESY\/KTH Stockholm, Calvin Brett<\/figcaption><\/figure>\n

Damit sind die Zellulosefilme eine vielversprechende Alternative zu mineral\u00f6lbasierten Kunststoffen und aussichtreiche Kandidaten f\u00fcr die Konstruktion von funktionalen Materialien wie Bio-Verbundwerkstoffen oder biologisch inspirierten Sensoren. So lassen sich beispielsweise funktionale Polymere oder andere Stoffe in die Poren des Zellulosefilms einbringen, um bestimmte Funktionen zu erzeugen.<\/p>\n

Bei dem an der KTH Stockholm und bei DESY entwickelten Verfahren werden Zellulose-Nanofasern mit einer mittleren L\u00e4nge von 500 Nanometern (millionstel Millimetern) und einer typischen Dicke von 3 bis 5 Nanometern in einer wasserhaltigen Tr\u00e4gerfl\u00fcssigkeit auf einen Siliziumtr\u00e4ger gespr\u00fcht. Das Tr\u00e4germaterial wird auf 120 Grad Celsius aufgeheizt, um das Wasser z\u00fcgig weitgehend zu verdampfen und die Zelluloseschicht so zu stabilisieren. Es entsteht eine sehr gleichm\u00e4\u00dfige, nur 200 Nanometer d\u00fcnne Zelluloseschicht \u2013 eine Art ultrad\u00fcnnes und extrem glattes Papier. \u201eEine Kernfrage f\u00fcr die richtigen Eigenschaften ist dabei das Verh\u00e4ltnis zwischen der Schichtung der individuellen Nanofasern, der Porosit\u00e4t und der Nanostruktur innerhalb der Zellulosefilme\u201c, erl\u00e4utert Roth, der auch Professor an der KTH Stockholm ist.<\/p>\n

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Ein unbeschichteter (oben) und ein beschichteter Siliziumwafer. Die Nanozelluloseschicht ist nur 200 Nanometer d\u00fcnn. Die Wafer sind je zwei Zentimeter breit und zehn Zentimeter lang. Bild: DESY\/KTH Stockholm, Calvin Brett<\/figcaption><\/figure>\n

An der von Roth geleiteten Messstation P03 an PETRA III untersuchte das Team die innere Struktur der Zellulosefilme mit R\u00f6ntgenstrahlung. Die Analysen zeigten, dass die Menge des in den fertigen Zellulosefilmen noch gebundenen Wassers mit der elektrischen Oberfl\u00e4chenladung der aufgespr\u00fchten Nanofasern zunimmt. Diese elektrische Ladung l\u00e4sst sich w\u00e4hrend der Produktion gezielt beeinflussen und somit die Eigenschaften des Films steuern. Gleichzeitig zeigten Untersuchungen mit dem Rasterkraftmikroskop, dass die Rauigkeit der Zellulosefilme mit steigender Oberfl\u00e4chenladung abnimmt. Je st\u00e4rker die Einzelfasern elektrisch geladen sind, desto glatter wird der Film.<\/p>\n

Weil Wasser besonders empfindlich von Neutronen nachgewiesen werden kann, nutzten die Forscher die Kleinwinkelstreuanlage KWS-1 des Forschungszentrums J\u00fclich am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) in Garching. Sie untersuchten, welche Folgen es hat, wenn das Material benetzt und getrocknet wird, und analysierten die Hohlr\u00e4ume im Film, in die sich funktionale Stoffe wie Polymere oder Metalle einschleusen lassen. Die Neutronenmessungen f\u00fchrten der Instrumentwissenschaftler Henrich Frielinghaus und die Wissenschaftler des Lehrstuhls f\u00fcr Funktionelle Materialien von Peter M\u00fcller-Buschbaum an der Technischen Universit\u00e4t M\u00fcnchen gemeinsam durch. \u201eMit unseren Daten k\u00f6nnen wir nun Zellulosefilme f\u00fcr bestimmte Anwendungen ma\u00dfschneidern, die daf\u00fcr beispielsweise das optimale Verh\u00e4ltnis zwischen Rauigkeit, Wassergehalt und Hohlr\u00e4umen besitzen\u201c, sagt Roth. \u201eNeutronenstreuexperimente zeigen hier ihr volles Potenzial\u201c, betont M\u00fcller-Buschbaum, wissenschaftlicher Direktor der Neutronenquelle FRMII in Garching.<\/p>\n

Solche Schichten lassen sich nicht nur im Labor- sondern inzwischen auch im industriellen Ma\u00dfstab produzieren: \u201eWir haben das Verfahren soweit hochskaliert, dass es damit jetzt erstmals m\u00f6glich ist, auf eine 50 Meter lange Folie einen Zellulosefilm mit nur zwei Nanometern Rauigkeit aufzutragen\u201c, betont Brett. In einem n\u00e4chsten Schritt wollen die Forscher nun funktionale Polymere in den Zellulosefilm einbauen um auf diese Weise etwa ein Sensormaterial herzustellen.<\/p>\n

Originalver\u00f6ffentlichung:<\/h3>\n

Water-Induced Structural Rearrangements on the Nanoscale in Ultrathin Nanocellulose Films; Calvin J. Brett, Nitesh Mittal, Wiebke Ohm, Marc Gensch, Lucas P. Kreuzer, Volker K\u00f6rstgens, Martin M\u00e5nsson, Henrich Frielinghaus, Peter M\u00fcller-Buschbaum, L. Daniel S\u00f6derberg, and Stephan V. Roth; \u201eMacromolecules\u201c, 2019; DOI: 10.1021\/acs.macromol.9b00531<\/a><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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