Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Molekulare Klettverschlüsse machen Holz formbar

25.11.2003


Potsdamer Max-Planck-Forscher haben einen bisher unbekannten molekularen Mechanismus entdeckt, durch den sich Holz zerstörungsfrei verformen lässt


Einzelne Holzfaser in polarisiertem Licht und schematische Darstellung des"Klettverschlusses" in der Zellwand von Holzzellen.

Bild: Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung



Mit den außergewöhnlichen Eigenschaften von biologischen Materialien wie Knochen oder Holz beschäftigen sich Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung, Potsdam. Gemeinsam mit Kollegen aus Wien und Leoben (Österreich) sowie aus Kiel und Grenoble (Frankreich) haben die Forscher dünne Holzfolien und -fasern im Röntgenstrahl der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF gedehnt und alle hierbei ablaufenden molekularen Veränderungen beobachtet. Dabei haben sie in der Zellwand einen molekularen Mechanismus entdeckt, mit dem sich Holz - ähnlich wie Metall - verformen kann, ohne dass Beschädigungen auftreten. Diese Verformung beruht auf spiralförmig gewundenen Zellulosefibrillen, die in der Wand der Holzzellen liegen und durch eine Matrix aus Polymeren miteinander verbunden sind. Werden diese Fibrillen nun durch starke Kräfte verdreht, löst sich ihre Verbindung untereinander und rastet - sobald diese äußeren Kräfte nachlassen - in einer neuen Position wieder ein, wie bei einem Klettverschluss. Dieser Klettverschluss ermöglicht Holz eine ähnlich "plastische Reaktion" wie bei Metallen. Die Ergebnisse werden in der Dezember-Ausgabe der internationalen Fachzeitschrift "Nature Materials" veröffentlicht.



Bäume haben ihre innere Struktur und äußere Gestalt über Jahrmillionen an die Umweltbedingungen angepasst. Ihr Holz muss zwei Anforderungen gleichzeitig erfüllen: mechanische Stabilität und effizienter Wassertransport. Nur wenn beides in einem optimalen Kompromiss gewährleistet ist, können Bäume bis zu 120 Meter hoch in den Himmel wachsen. Mikroskopisch betrachtet ist Holz ein komplex aufgebautes Material, ein Nanokomposit, der komplett aus Polymeren besteht und dennoch bemerkenswert fest ist. Ein Grund dafür ist seine Adaptionsfähigkeit: Holz kann sich nicht nur die äußere Form eines Stamms oder Asts, sondern auch seine molekulare Struktur an die natürlichen Anforderungen anpassen. Es besteht im Wesentlichen aus parallelen Röhren, den Holzzellen, deren Zellwände aus Zellulosefibrillen sowie einer Matrix aus Hemizellulose und Lignin aufgebaut sind. Die nur wenige Nanometer dicken Zellulosefibrillen sind wiederum spiralförmig um den zylindrischen Hohlraum der Holzzelle gewickelt. Bisher war wenig darüber bekannt, ob die Steifigkeit und Dehnbarkeit des Holzes eher durch diese Fibrillen in der Zellwand oder durch Interaktionen zwischen den Holzzellen selbst beeinflusst wird.

Um hinter die molekularen Details dieser Verformungsmechanismen innerhalb der Zellwand zu kommen, haben die Wissenschaftler unterschiedliche Holzproben an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle in Grenoble mit Röntgenstrahlung untersucht. Dazu hatten der Physiker Jozef Keckes und der Holzbiologe Ingo Burgert gemeinsam mit ihrem Team dünne Holzfolien und auch einzelne -zellen präpariert. Die Holzzellen mit einem Durchmesser von 25 Mikrometern, also deutlich dünner als ein menschliches Haar, wurden dann kontrolliert gedehnt und simultan mit der Streuung von Synchrotronstrahlung analysiert. Mit dieser Methode konnten die Wissenschaftler erstmals messen, wie sich der Spiralwinkel der Zellulosefibrillen während der Verformung verändert. Die Forscher stellten fest, dass Holzzellen ähnlich wie Spiralfedern reagieren, denn auch im Holz wurde der Winkel der Spiralen mit zunehmender Dehnung immer steiler. Damit war klar, dass der Verformungsmechanismus nicht durch Zell-Zell-Interaktionen, sondern innerhalb der Zellwand vermittelt wird.

Die Wissenschaftler konnten genau klären, wieso Holz stark verformt werden kann, ohne dass es beschädigt wird. Diese Eigenschaft kennt man eigentlich nur von Metallen: Diese kann man walzen oder schmieden und sie sind danach genauso steif wie zuvor. Doch die Metalle haben dafür einen speziellen Mechanismus, bei dem so genannte Versetzungen durch das Kristallgitter gleiten, ohne das Metallgitter zu schädigen. Etwas Vergleichbares aber war bisher für Polymer-Verbund-Materialien nicht bekannt. Die neuen Untersuchungen zeigen jetzt, dass sich die Polymermatrix, welche die Nanofasern aus Zellulose verbindet, ähnlich wie ein Klettverschluss öffnen und dann in einer neuen Position wieder einrasten kann. Welche molekularen Bindungen bei diesem Öffnen und Schließen tatsächlich beteiligt sind, ist noch nicht klar. Doch die Wissenschaftler gehen davon aus, dass sich bei der Verformung eine größere Zahl unspezifischer chemischer Bindungen vorübergehend löst. Sobald der äußere Stress aufhört, gleiten die Nanofibrillen nicht zurück, sondern rasten gewissermaßen an einer anderen Stelle wieder ein, indem sich dort die zuvor geöffneten chemischen Bindungen wieder schließen. Das ist der tiefere Grund, warum sich Holz zerstörungsfrei verformen lässt.

"Das Gleiten von Versetzungen, auf dem die plastische Verformung von Metallen beruht, ist in Holz offenbar durch einen molekularen Klett-Mechanismus ersetzt, sagt Prof. Peter Fratzl, Direktor am Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung und Leiter des gemeinsamen Forschungsprojektes. "Doch unsere neuen Forschungsergebnisse geben nicht nur Aufschluss, wie die Natur die von ihr verwendeten Materialien optimiert hat, sondern sie sind auch wichtige Anhaltspunkte für die Entwicklung neuartiger biomimetischer Materialien."

Weitere Informationen erhalten Sie von:

Prof. Peter Fratzl
Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung
Wissenschaftspark Golm, Potsdam
Tel.: 0331 567-9401, Fax: -9402
E-Mail: fratzl@mpikg-golm.mpg.de

Dr. Bernd Wirsing | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpikg-golm.mpg.de

Weitere Berichte zu: Holzzellen Metall Verformung Zellulosefibrillen Zellwand

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Zirkuläre RNA wird in Proteine übersetzt
24.03.2017 | Max-Delbrück-Centrum für Molekulare Medizin in der Helmholtz-Gemeinschaft

nachricht Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen
24.03.2017 | Universität Bayreuth

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Wegweisende Erkenntnisse für die Biomedizin: NAD⁺ hilft bei Reparatur geschädigter Erbinformationen

Eine internationale Forschergruppe mit dem Bayreuther Biochemiker Prof. Dr. Clemens Steegborn präsentiert in 'Science' neue, für die Biomedizin wegweisende Forschungsergebnisse zur Rolle des Moleküls NAD⁺ bei der Korrektur von Schäden am Erbgut.

Die Zellen von Menschen und Tieren können Schäden an der DNA, dem Träger der Erbinformation, bis zu einem gewissen Umfang selbst reparieren. Diese Fähigkeit...

Im Focus: Designer-Proteine falten DNA

Florian Praetorius und Prof. Hendrik Dietz von der Technischen Universität München (TUM) haben eine neue Methode entwickelt, mit deren Hilfe sie definierte Hybrid-Strukturen aus DNA und Proteinen aufbauen können. Die Methode eröffnet Möglichkeiten für die zellbiologische Grundlagenforschung und für die Anwendung in Medizin und Biotechnologie.

Desoxyribonukleinsäure – besser bekannt unter der englischen Abkürzung DNA – ist die Trägerin unserer Erbinformation. Für Prof. Hendrik Dietz und Florian...

Im Focus: Fliegende Intensivstationen: Ultraschallgeräte in Rettungshubschraubern können Leben retten

Etwa 21 Millionen Menschen treffen jährlich in deutschen Notaufnahmen ein. Im Kampf zwischen Leben und Tod zählt für diese Patienten jede Minute. Wenn sie schon kurz nach dem Unfall zielgerichtet behandelt werden können, verbessern sich ihre Überlebenschancen erheblich. Damit Notfallmediziner in solchen Fällen schnell die richtige Diagnose stellen können, kommen in den Rettungshubschraubern der DRF Luftrettung und zunehmend auch in Notarzteinsatzfahrzeugen mobile Ultraschallgeräte zum Einsatz. Experten der Deutschen Gesellschaft für Ultraschall in der Medizin e.V. (DEGUM) schulen die Notärzte und Rettungsassistenten.

Mit mobilen Ultraschallgeräten können Notärzte beispielsweise innere Blutungen direkt am Unfallort identifizieren und sie bei Bedarf auch für Untersuchungen im...

Im Focus: Gigantische Magnetfelder im Universum

Astronomen aus Bonn und Tautenburg in Thüringen beobachteten mit dem 100-m-Radioteleskop Effelsberg Galaxienhaufen, das sind Ansammlungen von Sternsystemen, heißem Gas und geladenen Teilchen. An den Rändern dieser Galaxienhaufen fanden sie außergewöhnlich geordnete Magnetfelder, die sich über viele Millionen Lichtjahre erstrecken. Sie stellen die größten bekannten Magnetfelder im Universum dar.

Die Ergebnisse werden am 22. März in der Fachzeitschrift „Astronomy & Astrophysics“ veröffentlicht.

Galaxienhaufen sind die größten gravitativ gebundenen Strukturen im Universum, mit einer Ausdehnung von etwa zehn Millionen Lichtjahren. Im Vergleich dazu ist...

Im Focus: Giant Magnetic Fields in the Universe

Astronomers from Bonn and Tautenburg in Thuringia (Germany) used the 100-m radio telescope at Effelsberg to observe several galaxy clusters. At the edges of these large accumulations of dark matter, stellar systems (galaxies), hot gas, and charged particles, they found magnetic fields that are exceptionally ordered over distances of many million light years. This makes them the most extended magnetic fields in the universe known so far.

The results will be published on March 22 in the journal „Astronomy & Astrophysics“.

Galaxy clusters are the largest gravitationally bound structures in the universe. With a typical extent of about 10 million light years, i.e. 100 times the...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungen

Lebenswichtige Lebensmittelchemie

23.03.2017 | Veranstaltungen

Die „Panama Papers“ aus Programmierersicht

22.03.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Rund 500 Fachleute aus Wissenschaft und Wirtschaft diskutierten über technologische Zukunftsthemen

24.03.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Förderung des Instituts für Lasertechnik und Messtechnik in Ulm mit rund 1,63 Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise

TU-Bauingenieure koordinieren EU-Projekt zu Recycling-Beton von über sieben Millionen Euro

24.03.2017 | Förderungen Preise