Belastbarer als Stahl Forscher entwickeln stärkstes Biomaterial der Welt

Leicht, umweltfreundlich und extrem belastbar: Forscher haben einen Faden aus Biomaterial entwickelt, der selbst Stahl alt aussehen lässt.

Das von einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommene Foto zeigt das Biomaterial auf Basis von Zellulose-Nanofasern. (Bild: Nitesh Mittal/KTH Stockholm/dpa) Quelle: dpa

BerlinEin leichtes Biomaterial, biologisch abbaubar und dabei extrem belastbar – nein, die Rede ist hier nicht von Spinnenseide. Die galt zwar bislang als eine Art heiliger Gral der Materialwissenschaft, wenn es um belastbare Materialien aus der Natur geht, jetzt aber haben Forscher ein Biomaterial entwickelt, das noch stärker ist.

Am Hamburger Forschungszentrum Desy produzierten Wissenschaftler um Daniel Söderberg von der Königlichen Technischen Hochschule (KTH) Stockholm einen Faden aus Zellulose-Nanofasern, den Grundbausteinen von Holz und anderen Pflanzen. Wie die Wissenschaftler im Fachblatt im amerikanischen Fachblatt ACS Nano berichten, ist ihr Material stärker als Stahl – und eben auch als Spinnenseide. „Die von uns hergestellten biobasierten Nanozellulosefäden sind achtmal steifer und einige Male zugfester als die Abseilfäden aus natürlicher Spinnenseide“, so Söderberg.

Ihr Wundermaterial erhielten die Forscher, indem sie extrem dünne Zellulose-Nanofasern durch einen Millimeter breiten Kanal in einem Stahlblock schickten. Von beiden Seiten strömte dabei entionisertes Wasser sowie Wasser mit niedrigem pH-Wert ein. Durch den Druck des einströmenden Wassers wurden die Nanofasern extrem zusammengepresst.

So entstand ein Faden aus eng gepackten Zellulose-Fasern, die ganz ohne Klebstoff allein durch molekulare Bindekräfte zusammenhalten. Das Verfahren ahmt die Fähigkeit der Natur nach, Zellulose-Nanofasern zu nahezu perfekten und sehr belastbaren Anordnungen zu arrangieren, etwa in Holz.

Mit der Röntgenlichtquelle Petra III des Desy konnten die Forscher den natürlichen Hightech-Faden im Detail analysieren. „Wir haben Fäden von bis zu 15 Mikrometern (tausendstel Millimeter) Dicke und mehreren Metern Länge hergestellt“, so Stephan Roth, Leiter der Mikro- und Nanofokus-Messstation P03, an der die Fäden gesponnen wurden. Die Untersuchung ergab eine Biegesteifigkeit des Materials von 86 Gigapascal und eine Zugfestigkeit von 1,57 Gigapascal.

„Wenn man ein biobasiertes Material sucht, gibt es nichts wirklich Vergleichbares“, erläutert Forschungsleiter Daniel Söderberg. „Es ist stärker als Stahl und alle anderen Metalle oder Legierungen sowie als Fiberglas und die meisten anderen synthetischen Materialien.“

Aus den belastbaren Zellulose-Fäden lassen sich Materialien für unterschiedlichste Anwendungen weben. Das Material könnte beispielsweise als umweltfreundliche Kunststoffalternative in Autos, für Möbel oder in Flugzeugen genutzt werden. Auch medizinische Anwendungen wären denkbar, so Sörderberg: „Unser neues Material hat Potenzial für die Biomedizin, da Zellulose vom Körper nicht abgestoßen wird.“

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