Weltrekord: Neue Biozellulosefasern sind stärker als Stahl und Spinnenseide

Das stärkste Biomaterial der Welt hat ein Forscherteam unter schwedischer Führung am Deutschen Elektronensynchrotron (Desy) in Hamburg hergestellt. Sie ist reißfester als Spinnenseide, das bisher stärkste Biomaterial, oder eine ebenso dicke Stahlfaser. Sie basiert auf Zellulose-Nanofasern, den Grundbausteinen von Bäumen. Während sie in der Natur von Lignin zusammengehalten werden, sodass massives Holz entsteht, benötigt das neue Biomaterial keinen Klebstoff.

Nanofasern formieren sich selbstständig

Das Team um Daniel Söderberg von der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) Stockholm setzte käufliche Nanofasern ein, die zwei bis fünf Nanometer dick und bis zu 700 Nanometer lang sind (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter). Das Team vermischte die Fasern mit Wasser und presste die Mixtur durch einen ein Millimeter breiten Kanal in einem Stahlblock. Dieser Kanal besitzt zwei Paar seitliche Zuflüsse, durch die entionisiertes Wasser sowie Wasser mit niedrigem pH-Wert einfließen. Dadurch wird der Strom der Nanofasern zusammengepresst und beschleunigt.

Bei dieser hydrodynamischen Fokussierung, wie die Forscher das Verfahren nennen, formieren sich die Nanofasern so, dass ein extrem dichter Faden entsteht. Sie halten durch so genannte supramolekulare Kräfte zusammen, die zwischen den Nanofasern wirken, beispielsweise elektrostatische und Van-der-Waals-Kräfte.

Röntgenlicht macht die Fadenproduktion sichtbar

Im extrem hellen Licht der Röntgenquelle Petra III, die Desy betreibt, konnten die Forscher die Entstehung des Fadens live miterleben und den Prozess optimieren. „Das Röntgenlicht erlaubt uns, die Struktur des Fadens zu analysieren, während er entsteht“, sagt Teammitglied 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“, so Roth. Ein Mikrometer ist ein Tausendstel Millimeter. Größere Durchmesser sind möglich, so die Forscher.

Die künstlich hergestellten Zellulosefäden lassen sich etwa zu Stoff verweben, der extrem stabil und besonders leicht ist. Die Forscher schätzen, dass die Produktionskosten des neuen Materials mit denen besonders fester synthetischer Stoffe konkurrieren können. Man könnte daraus beispielsweise besonders handliche Fallschirme bauen.

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