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Wie das Holz gehärtet wurde

US-amerikanische Materialforscher entwickelten Verfahren, um die Nanostruktur des natürlichen Werkstoffs zu verändern

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Wenn es um Nanotechnik geht, dienen natürliche Eigenschaften oft als Vorbild. Bekannt geworden ist der Lotuseffekt, bei dem Wasser nicht nur völlig rückstandsfrei von einer Fläche abläuft, sondern auch noch etwaige liegen gebliebene Schmutzpartikel mitnimmt. Holz hingegen stellt natürliche Nanostrukturen bereit, die nicht erst im Labor nachgebaut werden müssen. So haben Materialforscher von der Universität von Maryland (College Park, USA) eine Methode entwickelt, Holz so zu behandeln, dass es zwölf Mal fester wird und etwa zehn Mal härter.

»Unser Holz ist so belastbar wie Stahl, dabei aber etwa sechsmal leichter«, freut sich Lianbing Hu, der Chef des Teams und fährt fort: »Damit kann es nicht nur mit Stahl, sondern auch mit Titanlegierungen konkurrieren. Man kann es mit Karbonfasern vergleichen, aber es ist wesentlich preiswerter.« Vor dem Umwandlungsprozess könne ihr Werkstoff wie ganz normales Holz behandelt und sogar verformt und gebogen werden.

Wie das Team im Fachjournal »Nature« (Bd. 554, S. 224) erläutert, wird zuerst wie bei der Papierherstellung das Lignin aus der Holzstruktur entfernt. Dieses Bindemittel färbt das Holz nicht nur braun, sondern macht es auch spröde. Anschließend wird das Material bei milder Hitze von etwa 65 Grad Celsius gepresst, was dazu führt, dass die Zellulosefasern sehr dicht gepackt werden. Kleinere Defekt wie Hohlräume oder Löcher verschwinden. Jetzt ist das Material nur noch etwa 20 Prozent so dick wie zu Beginn. Dabei ändert sich dessen Gewicht jedoch nicht. Und auch die Holzstruktur bleibt erhalten, die überwiegend aus Abermilliarden Fasern besteht, die einmal zur Durchleitung von Wasser- und Nährstoffen dienten. Diese natürlichen Nanoröhrchen sind etwa hundertmal feiner als ein menschliches Haar.

Die Wissenschaftler haben herausgefunden, dass während des Prozesses neue Wasserstoffbindungen entstehen, die zusätzliche Stabilität liefern. Nanozellulose nennen sie das so entstandene Material. »Unser Holz kann in Autos, Flugzeugen und Bauwerken zum Einsatz kommen; überall dort, wo Stahl verwendet wird«, ist sich Hu sicher. 1630 Millionen Tonnen Stahl wurden 2016 weltweit erzeugt - da sind erhebliche Energieeinsparungen denkbar. Zum Vergleich: Weltweit werden etwa 1544 Millionen Festmeter Rundholz verbraucht - daraus ließ sich so viel Nanozellulose gewinnen, dass damit knapp 7500 Millionen Tonnen Stahl ersetzt werden könnten.

Doch damit nicht genug. Bei ihren Forschungen sind die Wissenschaftler aus Maryland außerdem auf eine Möglichkeit gestoßen, Holz (fast) durchsichtig zu machen. Auch für diesen Effekt bleichen die Forscher zunächst die Lignine aus dem Holz. Dann wird es mit Epoxidharz getränkt, was es widerstandsfähiger und härter macht.

Um es transparent werden zu lassen, haben die Wissenschaftler das Material quer zu den Holzfasern aufgeschnitten. Denn die lassen das Licht fast so gut durch wie Glas, streuen es aber gleichzeitig und schirmen die Hitze ab. Auch das hängt mit den natürlichen Eigenschaften der Nanoröhrchen im Holz zusammen: Der Durchmesser der Fasern erlaubt nur dem sichtbaren Licht die Passage, nicht aber der längerwelligen Wärmestrahlung.

Überall dort, wo keine glasklaren Durchblicke nötig sind, kann dieses Holz verbaut werden - z. B., wo die Privatsphäre gewahrt bleiben soll oder über Markisen, in Dächern und Wintergärten. Durch die Streuung entsteht ein Effekt, der dem von indirektem Licht vergleichbar ist und der in der Innenarchitektur gern eingesetzt wird. Das Sonnenlicht wird gleichmäßig im Raum verteilt. Durch das Ausfiltern der Infrarotstrahlung kann viel Energie gespart werden, die andernfalls für den Betrieb von Klimaanlagen aufgewendet werden muss.

Die Lichtstreuung ermöglicht noch eine weitere überraschende Anwendung des neuen Materials: Man kann es nutzen, um Solarzellen damit zu beschichten. Diese reflektieren danach praktisch kein Sonnenlicht mehr und werden so bis zu 30 Prozent effektiver.

Jetzt kann es schon fast nicht mehr überraschen, dass die Forscher auch ein superdurchsichtiges Papier aus Nanozellulose entwickelt haben, mit dem sie Plastik ersetzen wollen und das zum Beispiel in Touchscreens verbaut werden könnte. Dass die natürlichen Nano-Holzröhrchen nach geeigneter Behandlung auch eingesetzt werden können, um Wasser zu entsalzen und zu entgiften, ist ein weiteres Plus der neuen Werkstoffreihe.

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