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3 Minuten Wissenschaft: Wie Freiburger Forscher superstarkes Papier modifizieren

Michelle Hechenbichler

In unserer Serie "3 Minuten Wissenschaft" stellen wir jede Woche spannende Forschung von Freiburger Wissenschaftlern vor. Kurz, prägnant und für jeden verständlich. Heute: Superstarkes Papier aus Nanofasern.

Fasern, die nicht nur äußerst stabil sind, sondern zugleich leicht und umweltfreundlich? Das findet man schnell im echten Leben, nämlich im Holz. Eingebettet in riesigen Molekülen, dem sogenannten Lignin, liegen die Cellulose-Fasern da, sind geschützt vor den meisten Tieren und stabilisieren im Gegenzug den Baum.


Forscher möchten die Natur nachahmen und diese Fasern dafür nutzen, um Kunststoffe stabiler zu machen und um aus den Cellulose-Nanofasern Nanopapier herzustellen. Nanopapier entsteht, wenn Cellulosefasern zuvor in Flüssigkeit herumschwimmen, die Flüssigkeit dann trocknet und die Fasern ein verschlauftes Netzwerk bilden.

Die Vorteile von Nanopapier

Es ist viel stabiler als gewöhnliches weißes Papier, trotzdem faltbar und auch noch transparent bis trüb. Darum sind Nanopapiere spannende Materialien, die als transparente Elektroden, als faltbare Schaltkreise oder einfach als hochfestes Papier verwendet werden.

Die Freiburger Forschungsgruppe von Prof. Walther untersuchte, in wie weit die mechanischen Eigenschaften von Nanopapier variiert werden können. Dafür oxidierten sie die Fasern erst mal, um auf der Oberfläche negative Ladungen, also Anionen, zu erzeugen. Dann gaben sie verschiedene positiv geladene Teilchen, also Kationen, hinzu und guckten, wie die Fasern jetzt miteinander wechselwirkten.

Die Eigenschaften von Nanopapier lassen sich durch die Forschung beeinflussen

Während die Fasern, bevor sie oxidiert wurden, noch ganz eng nebeneinanderliegen konnten, ist eine starke Annäherung nicht mehr möglich, weil da jetzt die Kationen herumschwirren. Die wollen mit den anderen Kationen der anderen Fasern auf keinen Fall in Kontakt kommen, denn zwei gleiche Ladungen stoßen sich ab. Das heißt, wenn die Fasern jetzt versuchen ein verschlauftes Netzwerk zu bilden, wird das sehr unterschiedlich aussehen, je nachdem wie groß die Kationen sind.

So beobachtete die Gruppe, dass große Kationen zu weniger Wechselwirkungen zwischen den Fasern führte, wodurch sich ein lockereres Netzwerk bildete. Fasern mit kleinen Kationen hingegen konnten sich weiterhin nahekommen, was zu einem dichten, steifen Netzwerk führte. Je nachdem was für eine Art Nanopapier gewünscht ist, lassen sich so die mechanischen Eigenschaften wie Stärke und Steifheit einstellen.
Zum weiterlesen:

Alejandro J. Benítez und Andreas Walther, Biomacromolecules, 2017, 18, 1642−1653.

A. J. Benítez und A. Walther, J. Mater. Chem. A, 2017, 5, 16003–16024.

Houssine Sehaqui, Qi Zhou, Olli Ikkala, and Lars A. Berglund, Biomacromolecules, 2011, 12 (10), pp 3638–3644.