Nano-Papier zum Sprühen

Ein unbeschichteter (oben) und ein beschichteter Siliziumwafer. Die Wafer sind je zwei Zentimeter breit und zehn Zentimeter lang. Die Nanozelluloseschicht ist nur 200 Nanometer dünn. Bild: DESY/KTH Stockholm, Calvin Brett

„Poröse, nanostrukturierte Zellulosefilme besitzen eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften, die sie für verschiedene Anwendungen interessant machen, von ultrastarken bioaktiven Fasern bis hin zu transparentem leitfähigem Nanopapier“, erläutert der Hauptautor der Studie, Calvin Brett von DESY und der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm.

„Sie sind leicht und temperaturstabil, haben hervorragende mechanische Eigenschaften, eine geringe Dichte und bestehen aus nachwachsenden Rohstoffen – die Zellulose-Nanofasern werden in der Regel aus Holz gewonnen.“

Damit sind die Zellulosefilme eine vielversprechende Alternative zu mineralölbasierten Kunststoffen und aussichtreiche Kandidaten für die Konstruktion von funktionalen Materialien wie Bio-Verbundwerkstoffen oder biologisch inspirierten Sensoren. So lassen sich beispielsweise funktionale Polymere oder andere Stoffe in die Poren des Zellulosefilms einbringen, um bestimmte Funktionen zu erzeugen.

Bei dem an der KTH Stockholm und bei DESY entwickelten Verfahren werden Zellulose-Nanofasern mit einer mittleren Länge von 500 Nanometern (millionstel Millimetern) und einer typischen Dicke von 3 bis 5 Nanometern in einer wasserhaltigen Trägerflüssigkeit auf einen Siliziumträger gesprüht.

Das Trägermaterial wird auf 120 Grad Celsius aufgeheizt, um das Wasser zügig weitgehend zu verdampfen und die Zelluloseschicht so zu stabilisieren. Es entsteht eine sehr gleichmäßige, nur 200 Nanometer dünne Zelluloseschicht – eine Art ultradünnes und extrem glattes Papier.

„Eine Kernfrage für die richtigen Eigenschaften ist dabei das Verhältnis zwischen der Schichtung der individuellen Nanofasern, der Porosität und der Nanostruktur innerhalb der Zellulosefilme“, erläutert Roth, der auch Professor an der KTH Stockholm ist.

An der von Roth geleiteten Messstation P03 an PETRA III untersuchte das Team die innere Struktur der Zellulosefilme mit Röntgenstrahlung. Die Analysen zeigten, dass die Menge des in den fertigen Zellulosefilmen noch gebundenen Wassers mit der elektrischen Oberflächenladung der aufgesprühten Nanofasern zunimmt.

Diese elektrische Ladung lässt sich während der Produktion gezielt beeinflussen und somit die Eigenschaften des Films steuern. Gleichzeitig zeigten Untersuchungen mit dem Rasterkraftmikroskop, dass die Rauigkeit der Zellulosefilme mit steigender Oberflächenladung abnimmt. Je stärker die Einzelfasern elektrisch geladen sind, desto glatter wird der Film.

Weil Wasser besonders empfindlich von Neutronen nachgewiesen werden kann, nutzten die Forscher die Kleinwinkelstreuanlage KWS-1 des Forschungszentrums Jülich am Heinz Maier-Leibnitz Zentrum (MLZ) in Garching. Sie untersuchten, welche Folgen es hat, wenn das Material benetzt und getrocknet wird, und analysierten die Hohlräume im Film, in die sich funktionale Stoffe wie Polymere oder Metalle einschleusen lassen.

Die Neutronenmessungen führten der Instrumentwissenschaftler Henrich Frielinghaus und die Wissenschaftler des Lehrstuhls für Funktionelle Materialien von Peter Müller-Buschbaum an der Technischen Universität München gemeinsam durch.

„Mit unseren Daten können wir nun Zellulosefilme für bestimmte Anwendungen maßschneidern, die dafür beispielsweise das optimale Verhältnis zwischen Rauigkeit, Wassergehalt und Hohlräumen besitzen“, sagt Roth. „Neutronenstreuexperimente zeigen hier ihr volles Potenzial“, betont Müller-Buschbaum, wissenschaftlicher Direktor der Neutronenquelle FRMII in Garching.

Solche Schichten lassen sich nicht nur im Labor- sondern inzwischen auch im industriellen Maßstab produzieren: „Wir haben das Verfahren soweit hochskaliert, dass es damit jetzt erstmals möglich ist, auf eine 50 Meter lange Folie einen Zellulosefilm mit nur zwei Nanometern Rauigkeit aufzutragen“, betont Brett. In einem nächsten Schritt wollen die Forscher nun funktionale Polymere in den Zellulosefilm einbauen um auf diese Weise etwa ein Sensormaterial herzustellen.

DESY zählt zu den weltweit führenden Teilchenbeschleuniger-Zentren und erforscht die Struktur und Funktion von Materie – vom Wechselspiel kleinster Elementarteilchen, dem Verhalten neuartiger Nanowerkstoffe und lebenswichtiger Biomoleküle bis hin zu den großen Rätseln des Universums. Die Teilchenbeschleuniger und die Nachweisinstrumente, die DESY an seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen entwickelt und baut, sind einzigartige Werkzeuge für die Forschung: Sie erzeugen das stärkste Röntgenlicht der Welt, bringen Teilchen auf Rekordenergien und öffnen neue Fenster ins Universum. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

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Originalveröffentlichung:
Water-Induced Structural Rearrangements on the Nanoscale in Ultrathin Nanocellulose Films; Calvin J. Brett, Nitesh Mittal, Wiebke Ohm, Marc Gensch, Lucas P. Kreuzer, Volker Körstgens, Martin Månsson, Henrich Frielinghaus, Peter Müller-Buschbaum, L. Daniel Söderberg, and Stephan V. Roth; „Macromolecules“, 2019; DOI: 10.1021/acs.macromol.9b00531

Prof. Stephan Roth
DESY / KTH Stockholm
Telefon: +49 40 8998-92934
stephan.roth@desy.de

Water-Induced Structural Rearrangements on the Nanoscale in Ultrathin Nanocellulose Films; Calvin J. Brett, Nitesh Mittal, Wiebke Ohm, Marc Gensch, Lucas P. Kreuzer, Volker Körstgens, Martin Månsson, Henrich Frielinghaus, Peter Müller-Buschbaum, L. Daniel Söderberg, and Stephan V. Roth; „Macromolecules“, 2019; DOI: http://dx.doi.org/10.1021/acs.macromol.9b00531

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