Forscher entdecken neues Supermaterial: Papier

Forscher entdecken neues Supermaterial: Papier

von Wolfgang Kempkens

US-Forscher haben erstmals die Stärke von Zellulosekristallen in Papier berechnet. Ergebnis: Sie sind so fest, dass sie eine grüne Alternative zu Stahl sein könnten.

An Berichten über neue Wundermaterialien mangelte es in diesem Jahr nicht: Da war einmal Graphen, dessen Entwicklung die EU nun mit viel Geld fördert, und das härter als alle anderen bisher bekannten Materialien ist. Dann war da noch Carbyne, das wiederum härter als Graphen sein soll.

Jetzt gibt es ein neues Supermaterial, das ersteinmal ziemlich unspektakulär daherkommt. Papier. Das sei eigentlich hart wie Stahl, sagen Wissenschaftler der Purdue University in West Lafayette im US-Bundesstaat Indiana. Streng genommen ist es nicht das Papier das so hart ist, sondern die Zellulosekristalle; Bausteinchen, aus denen Pflanzen großenteils bestehen.

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Diese Kristalle sind so klein, dass sie bisher niemand zu Gesicht bekommen hat. Deshalb ließ sich bisher auch nicht berechnen, wie stark sie sind.

Man muss schon den Nanometer-Maßstab anlegen, um sie zu vermessen (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter). Und das ist nicht so einfach.

Mit einem Durchmesser von drei und einer Länge von 500 Nanometer kommen sie gerade mal auf ein tausendstel der Größe eines Sandkorns. Damit sind sie allenfalls mit Elektronenmikroskopen auszumachen. Wie ihm die überraschende Entdeckung der Kristalle gelang, verrät Purdue-Professor Pablo D. Zavattieri nicht. Aber er weiß, wie sie sich nutzen lässt.

Grüne Alternative zu StahlÄhnlich wie etwa in Bäumen, in denen die Kristalle und der Kleber Lignin für hohe Festigkeit sorgen, könnten die isolierten Zellulose-Winzlinge in Kunststoff oder andere Werkstoffe eingebunden werden, die dadurch eine höhere Festigkeit bekämen. Zavattieri kann sich neue Werkstoffe für die Elektronik, medizinische Geräte sowie Strukturmaterial für Autos und Flugzeuge vorstellen, die mindestens ebenso fest sind wie die, die heute verwendet werden. Zavattieri glaubt, dass die Zellulosekristalle auf diese Weise Stahl ersetzen könnten.

Sie wären allerdings viel leichter. Zellulosekristalle seien auch eine „grüne Alternative“ zu Nanoröhrchen aus Kohlenstoff. Die geben Kunststoffen und sogar Beton höhere Festigkeit.

Zellulosekristalle sind erneuerbar, umweltverträglich, biologisch abbaubar und sie verändern den Kohlenstoffgehalt der Atmosphäre nicht“, schwärmt Robert J. Moon vom amerikanischen Forest Products Laboratory, der mit Zavattieri zusammenarbeitet. An Nachschub gibt es keinen Mangel.

Bei der Papierproduktion bleiben zum Beispiel jährlich Millionen Tonnen Fasern übrig, die für die Papierherstellung zu kurz sind. Dieser Papierschlamm wird verbrannt oder zur Herstellung von Industriealkohol (Ethanol) verwendet, der als Treibstoff dient. „Wir wollen etwas Besseres daraus machen“, sagt Moon. Die Fasern im Schlamm müssen allerdings noch weiter zerkleinert werden, ehe sie die gewünschten Eigenschaften haben.

Dämmplatten aus PapierabfallDie gigantischen Mengen an Papierschlamm dürften für den Anfang reichen. Allerdings erheben Wissenschaftler aus Israel und Deutschland ebenfalls Anspruch auf diesen vermeintlichen Abfall. An der Hebrew University in Jerusalem ist ein Verfahren zur Herstellung von Dämmplatten aus Nanokristallen der Zellulose entwickelt worden.

Als Kleber, der die Winzlinge zusammenhält, dient natürliches Harz, das beispielsweise aus Abfällen der Zuckerrohrverarbeitung gewonnen wird. Diese beiden Zutaten und ein Flammschutzmittel werden zu einem Brei zusammengerührt, der in eine Form gegossen und, wie Instant-Kaffee, gefriergetrocknet wird.

Bisher sind die Platten aber noch nicht für die Praxis geeignet, weil sie nicht größer sind als Postkarten. Forscher des Fraunhofer-Instituts für Umwelt-, Sicherheits- und Energietechnik (Umsicht) in Oberhausen entwickeln derzeit eine Produktionstechnik, mit der größere Platten hergestellt werden können.

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