Zellulose ist am härtesten
Das festeste Material, das ein Baum entwickelt, befindet sich nicht in seinem Stamm oder seinen ausgedehnten Wurzeln, sondern in den Wänden seiner mikroskopisch kleinen Zellen. Deren Wände bestehen aus Zellulosefasern, einem natürlichen Polymer, das die Hauptstruktur aller Pflanzen und Algen ausmacht. In jeder Faser befinden sich verstärkende Zellulose-Nanokristalle, das sind Ketten organischer Polymere, die in nahezu perfekten Kristallmustern angeordnet sind. Diese Kristalle sind stärker und steifer als Kevlar, ein Kunststoff, aus dem etwa schusssichere Westen hergestellt werden.
Der Verbundwerkstoff, den das Team um John Hart entwickelt hat, besteht aus 60 bis 90 Zellulose-Nanokristallen, die mit synthetischen Kunststoffen versetzt sind. Er hat eine Mikrostruktur, die Perlmutt ähnelt, der harten inneren Schalenauskleidung einiger Weichtiere. Der größte Teil der Zellulose fließt in die Papier-Produktion. Schon seit Jahren versuchen Forscher, dieses Kristallpulver mit Polymeren zu vermischen, um daraus eine Suspension herzustellen, die sich im 2D-Druck oder per Gussverfahren zu Formteilen verarbeiten lässt. Bisher gelang es jedoch nicht, einen so hohen Zelluloseanteil zu erreichen, dass Formteile die gewünschten Eigenschaften bekamen, weil die Zellulose verklumpt.
Ultraschall gegen Klumpen
Diese Macke haben Hart und sein Team dem Naturprodukt abgewöhnt. Sie haben die Klumpen mithilfe von Ultraschall aufgelöst, sodass in die Kunststoffmatrix weitaus mehr Zellulose eingebaut werden konnte als bisher. Die Forscher produzierten aus diesem Material Proben und versuchten, gewaltsam nano- und dann mikroskalige Risse zu erzeugen. Sie konnten beobachten, dass die Anordnung der Zellulosekörner des Verbundwerkstoffs verhinderte, dass sich das Material an den Rissen spaltete. Diese Beständigkeit gegen plastische Verformung verleiht dem Verbundwerkstoff Härte und Steifigkeit, die an der Grenze zwischen herkömmlichen Kunststoffen und Metallen liegt. (pte)