Stärkstes Biomaterial der Welt hergestellt

Bisher galt Spinnenseide als das stärkste biologische Material – stärker als beispielsweise Stahl. Jetzt haben Forscher künstliche Zellulosefasern hergestellt, die sogar die Spinnenseide toppen. Mögliche Anwendungen reichen von Autos bis Biomedizin.

Das ultrastarke Material besteht aus Zellulose-Nanofasern (CNF), den Grundbausteinen von Holz und anderen Pflanzen. Mit Hilfe einer neuen Produktionsmethode haben die Forscher die besonderen mechanischen Eigenschaften der Nanofasern auf ein makroskopisches Material übertragen. Es könnte beispielsweise als umweltfreundliche Kunststoffalternative in Autos, für Möbel und in Flugzeugen verwendet werden – oder in der Biomedizin, da der Körper Zellulose vom Körper nicht abstößt.

Die Wissenschaftler nutzen kommerziell angebotene Zellulose-Nanofasern, die nur etwa 2 bis 5 Nanometer dünn und bis zu 700 Nanometer lang sind. Die Nanofasern schicken sie in Wasser durch einen dünnen, nur einen Millimeter breiten Kanal in einem Stahlblock. Darin wird der Strom der Nanofasern zusammengepresst und beschleunigt.

Diese sogenannte hydrodynamische Fokussierung sorgt dafür, dass sich die Nanofasern in der gewünschten Orientierung ausrichten und sich von selbst zu einem eng gepackten Faden zusammenlagern. Die Nanofasern haften ohne Klebstoff oder durch supramolekulare Kräfte zusammen, die zwischen den Nanofasern wirken

Zugfestigkeit von 1,57 Gigapascal

Im hellen Röntgenstrahl von PETRA III des Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY 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 in den superstarken Fasern“, erläutert Ko-Autor Stephan Roth, Leiter der Mikro- und Nanofokus-Messstation P03, an der die Fäden gesponnen wurden. „Wir haben Fäden von bis zu 15 Mikrometern Dicke und mehreren Metern Länge hergestellt.“ Ein Mikrometer ist ein tausendstel Millimeter. Die Fäden lassen sich den Forschern zufolge auch in größerer Dicke fertigen.

Die Untersuchung zeigte eine Biegesteifigkeit des Materials von 86 Gigapascal und eine Zugfestigkeit von 1,57 Gigapascal. Ein vergleichbar starkes biobasiertes Material ist nicht bekannt.

Die in der Untersuchung beschriebene neue Methode ahmt die Fähigkeit der Natur nach, Zellulose-Nanofasern zu nahezu perfekten makroskopischen Anordnungen zu arrangieren. 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.

Bild: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einer fertigen Faser / Nitesh Mittal, KTH Stockholm