Materialwissenschaft: Wie Forscher Holz hart wie Stahl machen

Holz wird seit Jahrtausenden als Baumaterial verwendet. Dass das Material noch lange nicht ausgedient hat, zeigen Forscher der University of Maryland. Sie entwickelten ein erstaunlich simples Verfahren, mit dem Holz sich in ein echtes High-Tech-Material verwandeln lässt. Mit ihrem Prozess können sie das Holz extrem verdichten und es bis zu zehnmal fester und stabiler werden lassen. Das Ergebnis übertrifft viele Metalle und Legierungen deutlich, was die Festigkeit angeht. Und ist dabei deutlich leichter.

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Forscher entwickeln dichteres, stabileres Holz

Holz drängt sich als Baumaterial förmlich auf. Es ist in vielen Gegenden der Welt in großen Mengen vorhanden, wächst nach und lässt sich gut verarbeiten, da es leicht und elastisch ist. In der Neuzeit wurde Holz jedoch immer mehr von Stahl und Beton verdrängt, da es vielen Anforderungen moderner Architektur nicht gewachsen ist. Die Arbeit der Forscher rund um Jianwei Song von der University of Maryland und seinen Kollegen könnte das ändern. In einem zweischrittigen Prozess gelang es ihnen, Holz dreimal so dicht wie zuvor zu machen. Dadurch erhöhte sich die Stabilität und Härte des Materials um den Faktor zehn, mit dem Ergebnis, dass Kratzer und Risse ihm kaum noch etwas anhaben können. Die mechanischen Eigenschaften des behandelten Holzes übertreffen sogar die von Stahl und vielen Metalllegierungen. Die Zerreißfestigkeit des Spezialholzes liegt ersten Tests zufolge bei bis zu 587 Megapascal. Da kann so mancher Stahl und so manche Titanlegierung nicht mithalten. Die Forscher beschossen eine fünfschichtige Laminierung des Holzes sogar mit einer Kugel, ohne dass diese das Holz durchschlagen konnte.

Zweistufiger Prozess verwandelt Holz in ein High-Tech-Material

Der Prozess, mit dem die Wissenschaftler das Holz behandelten, ist nicht besonders komplex. Im ersten Schritt wird das Holz in ein heißes Bad aus Ätznatron (NaOH) und Natriumsulfit (Na2>SO3) getaucht, was das in den Zellwänden enthaltene Lignin und die Hemizellulose teilweise entfernt. Das Holz wird dadurch weniger steif und recht porös. Im Anschluss wird das Holz bei 100 Grad seitlich zusammengepresst. Dadurch kollabieren die Hohlräume im Inneren des Holzes, was das Material etwa 80 Prozent seiner Dicke verlieren lässt und deutlich dichter macht.

Durch die Behandlung liegen die Zellwände sehr dicht beieinander, ohne dass es im Inneren des Holzes noch viele Hohlräume gibt. Die so entstehenden Faserschichten werden durch Wasserstoffbrücken stabilisiert. Das so entstehende Material verliert selbst bei extrem hoher Luftfeuchtigkeit nichts von seiner Festigkeit und Stabilität – ganz im Gegensatz zu normalen Holz. “Wurde die Oberfläche des Holzes lackiert, war das Material sogar komplett immun gegen die Feuchtigkeit“, berichten die Forscher.

Alternative zu Stahl und Metalllegierungen

Mit der Methode lassen sich diverse Holzarten behandeln, unabhängig davon, ob es sich um Hart- oder Weichholz handelt. Das so entstehende Spezialholz weist ähnliche Eigenschaften wie viele High-Tech-Baumaterialien auf und könnte mittelfristig als kostengünstige, leichte Alternative dienen – selbst bei anspruchsvolleren Bauprojekten. Die Forscher sehen ihr Material überall da, wo Stahl verwendet werden kann, also unter anderem in Autos, Flugzeugen und Gebäuden. Bis es soweit ist, wird das Spezialholz der Forscher aber noch zahlreiche Tests durchlaufen müssen.