UMFORMtechnik (Blech)

 
 
   

Fester als Stahl, biokompatibel und abbaubar

Ein Team um Daniel Söderberg von der Königlichen Technischen Hochschule Stockholm hat das bislang stärkste Biomaterial hergestellt. Die abbaubaren künstlichen Zellulosefasern sind fester als Stahl und auch als die noch stärkere Spinnenseide. Letztere gilt als das stärkste biologische Material schlechthin.

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Stronger than steel, bio-compatible and bio-degradable
A team led by Daniel Söderberg from the Royal Institute of Technology in Stockholm has produced the strongest available bio-material. The bio-degradable artificial cellulose fibres are stronger than steel and the even stronger spider’s silk. The latter is the strongest known biological material.

An der Röntgenlichtquelle „Petra III“ des Deutschen Elektronen-Synchrotron (DESY) – einem Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft – hat ein Team um Daniel Söderberg von der Königlichen Technischen Hochschule Stockholm das bislang stärkste Biomaterial hergestellt. Die biologisch abbaubaren künstlichen Zellulosefasern sind fester als Stahl und auch als die noch stärkere Spinnenseide. Letztere gilt als das stärkste biologische Material schlechthin. 

Zellulose-Nanofasern sind der Grundbaustein von Holz und anderen Pflanzen. Mit Hilfe einer neuen Produktionsmethode wurden die mechanischen Eigenschaften der Fasern auf ein makroskopisches Material übertragen, das sich durch geringes Gewicht auszeichnet und als umweltfreundliche Alternative zu Kunststoffen in Autos, Möbel und Flugzeugen eingesetzt werden könnte. „Das Material hat auch Potenzial für die Biomedizin, da Zellulose vom Körper nicht abgestoßen wird“, sagt Söderberg.

Die Forscher nutzen kommerziell angebotene Zellulose-Nanofasern, die nur etwa 2 Nanometer (nm) bis 5 nm dünn und bis zu 700 nm lang sind. Die Nanofasern werden in Wasser durch einen nur 1 mm breiten Kanal in einem Stahlblock geschickt. Dieser Kanal besitzt zwei Paare seitlicher Zuflüsse, durch die entionisiertes Wasser sowie Wasser mit niedrigem pH-Wert einfließen. Dadurch wird der Strom der Nanofasern zusammengepresst und beschleunigt.

Die so genannte hydrodynamische Fokussierung richtet die Nanofasern in der gewünschten Orientierung aus, und sie lagern sich von selbst zu einem eng gepackten Faden zusammen. Sie haften dabei ohne Klebstoff oder irgendeine andere Zutat zusammen durch supramolekulare Kräfte, etwa elektrostatische und Van-der-Waals-Kräfte.

In Petra III konnten die Forscher den Prozess im Detail verfolgen und optimieren. „Das Röntgenlicht erlaubt uns, die detaillierte Struktur des Fadens zu analysieren, während er entsteht. Das schließt sowohl die Materialstruktur ein als auch die hierarchische Ordnung“, erläutert Stephan Roth, Leiter der Mikro- und Nanofokus-Messstation P03, an der die Fäden gesponnen wurden. „Wir haben Fäden von bis zu 15 Mikrometer Dicke und mehreren Metern Länge hergestellt“, berichtet Roth. Die Fäden ließen sich auch in größerer Dicke fertigen.

Die Untersuchung zeigte eine Biegesteifigkeit des Materials von 86 Gigapascal (GP) und eine Zugfestigkeit von 1,57 GP. Söderberg betont: „Wenn man ein biobasiertes Material sucht, gibt es nichts Vergleichbares. Es ist stärker als Stahl und alle anderen Metalle oder Legierungen sowie als Fiberglas und die meisten anderen synthetischen Materialien.“ Die Fäden lassen sich zu einem Stoff für verschiedene Anwendungen weben. Die Forscher schätzen, dass die Produktionskosten dabei mit denen besonders fester synthetischer Stoffe konkurrieren können.

Die neue Methode ahmt die Fähigkeit der Natur nach, Zellulose-Nanofasern zu nahezu perfekten makroskopischen Anordnungen zu arrangieren wie etwa in Holz. Damit eröffnet sich die Möglichkeit, ein Material aus Nanofasern zu entwickeln, das sich für größere Werkstücke nutzen lässt und dabei die Zugfestigkeit und die mechanische Belastbarkeit der Nanofasern zu erhalten.

„Wir können jetzt die Leistung aus dem Nanokosmos in den Makrokosmos übertragen“, betont Söderberg. „Ermöglicht wurde diese Entdeckung dadurch, dass wir gelernt haben, die fundamentalen Schlüsselparameter für die perfekte Nanostrukturierung wie Partikelgröße, Wechselwirkungen, Ausrichtung, Ausbreitung, Netzwerkbildung und Gruppierung zu verstehen und zu kontrollieren.“ Der Prozess könne auch benutzt werden, um beispielsweise die Gruppierung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder anderen Nanofasern zu steuern.

Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)
Forschungszentrum der Helmholtz-Gemeinschaft
Notkestraße 85
22607 Hamburg
Ansprechpartner ist Thomas Zoufal
Tel.: +49 40 8998-0
thomas.zoufal@desy.de
www.desy.de

Königliche Technische Hochschule
10044 Stockholm/Schweden
Ansprechpartner ist Daniel Söderberg
Tel.: +46 8 7906000
dansod@kth.se
www.bit.ly/2MMF8O7-Originalarbeit