BOKU Magazin 4/2021

Weitere Magazine

Info

MATERIALIEN DER ZUKUNFT Funktionelle Cellulose- Nanofibrillen aus Holz Von Marco Beaumont Cellulose-Nanofibrillen sind die kleinsten Struktureinheiten in Holz und dort maßgeblich für die Stärke und mechanische Stabilität verantwortlich. Am Institut für Chemie nachwachsender Rohstoffe werden derzeit nachhaltige Methoden entwickelt, um aus Nanocellulose funktionelle Materialien herzustellen. Cellulose ist das am häufigsten vorkommende Biopolymer auf Erden, das in der Natur als Gerüstsubstanz der Pflanzen eine zentrale Rolle spielt. Wir kommen jeden Tag in unserem Leben damit in Kontakt, sei es in Form eines Ballaststoffs in unserer Nahrung, als Hauptbestandteil von Naturfasern in unserer Kleidung oder durch Holz. In Pflanzen bilden Cellulose-Nanofibrillen – mit einem Durchmesser von etwa drei Nanometern – zusammen mit anderen pflanzlichen Polymeren komplexe Faserstrukturen. Holz ist also quasi ein von der Natur optimiertes exzellentes Kompositmaterial. BOKU/Marco Beaumont Die Cellulose-Nanofibrille an sich hat beeindruckende mechanische Eigenschaften, bei gleichem Durchmesser ist sie stärker als Stahl, Kevlar oder Glasfasern und gehört damit zu den stabilsten verfügbaren Polymeren. Das zeigt sich in der hohen mechanischen Stabilität von Holz und seiner Eignung als tragendem Baustoff. In der Pflanze werden diese Cellulose-Nanofibrillen je nach Umgebungsbedingungen individuell angeordnet, um die bestmöglichen mechanischen Eigenschaften zu gewährleisten. VERÄNDERUNGEN BISHER IRREVERSIBEL Um das Potenzial von Cellulose-Nanofibrillen auch außerhalb von Holz in anderen Materialien und Formkörpern nutzen zu können, müssen sie aus der komplexen pflanzlichen Faserstruktur extrahiert werden, und hierzu war bislang immer eine irreversible (permanente, unumkehrbare) chemische Oberflächenmodifikation notwendig. Im Gegensatz zu nativen Nanofibrillen passen diese veränderten Fibrillen nun nicht mehr perfekt zueinander. Damit ist eine perfekte Anbindung in einem Film oder Cellulose-Nanofibrillen in einem Hydrogel, die Vergrößerung zeigt die fibrilläre Nanostruktur (der runde Bildausschnitt entspricht 1 µm). einer Faser nicht mehr so gut möglich, was sich unter anderem auch limitierend auf ihre mechanischen Eigenschaften auswirkt. Zusätzlich werden die Celluloseketten bei der chemischen Modifizierung durch Nebenreaktionen auch kürzer und die resultierenden Fibrillen dadurch schwächer. Schlussendlich kann durch die bisherigen – zwar notwendigen, aber weniger vorteilhaften – chemischen Modifikationen das volle Potenzial der Cellulose-Nanofibrillen zur Herstellung von Hochleistungsmaterialien nicht ausgeschöpft werden. Am Institut für Chemie nachwachsende Rohstoffe wird seit Längerem zu diesem Thema geforscht, neben anderen Themen wird hier auch an der Entwicklung neuer „grüner“ Cellulose-Modifikationen zur Herstellung funktioneller Nanomaterialien gearbeitet. SELEKTIVE UND NACHHALTIGE MODIFIKATION VON CELLULOSE Zellstoff wird durch ein Aufschlussverfahren („pulping“) aus Holz gewonnen und ist meistens das Ausgangsmaterial für chemische Cellulose-Modifikationen. Er besteht aus einzelnen Fasern mit einer hierarchischen Struktur, basierend auf einzelnen Cellulose-Nanofibrillen. Diese Fibrillen setzen sich wiederum aus einzelnen Cellulose-Polymerketten zusammen, die in ihren Anordnungen eine hohe Kristallinität und dadurch auch eine hohe mechanische Stabilität aufweisen. Schlussendlich spielt nicht nur die Kristallinität, sondern auch die Länge der einzelnen Polymerketten (der Polymerisationsgrad) eine maßgebende Rolle für die Eigenschaften der Cellulose-Fibrillen. Chemische Modifikationen sollten demnach mild sein, damit sich diese physikalischen Eigenschaften nicht negativ beeinflussen. 16 BOKU Magazin 4 | 2021
Chemische Oberflächenstruktur einer Cellulose-Nanofibrille (A), die einzelne Fibrille besteht aus einzelnen Cellulose- Polymerketten (B). Aktuelle Forschungen an der BOKU haben nun wichtige Fortschritte in diesem Gebiet erzielt, durch die Verwendung von bestimmten Reagenzien (N-Acylimidazolen) unter sehr milden Bedingungen ist es nun möglich, Cellulose zu modifizieren, ohne deren physikalische Eigenschaften zu beeinflussen. Die Verwendung von Imidazol ermöglicht die milden Reaktionsbedingungen und ahmt dabei die Aminosäure Histidin nach, die biochemische Reaktionen im Körper katalysiert. Unsere Forschungsergebnisse haben auch gezeigt, dass es mit dieser simplen und nachhaltigen Methode möglich ist, die Selektivität von chemischen Reaktionen – in diesem Fall von Veresterungen – zu steuern und auch deren Effizienz zu steigern. In diesem Fall spielt gebundenes Wasser auf der Oberfläche der Fibrillen eine Kernrolle und ermöglicht eine regioselektive Reaktion, das heißt eine Modifikation nur an ganz bestimmten Positionen der Nanofibrillen. Durch die entwickelte Methode lassen sich nun unterschiedliche Funktionalitäten auf die Oberfläche der Zellulose-Nanofibrillen binden, um gezielt die Eigenschaften zu verändern. VIELSEITIG UND REVERSIBEL Eine Funktionalisierung mit hydrophoben Gruppen ist mit diesem Verfahren erstmalig selektiv möglich. Damit lassen sich funktionelle Nanocellulosen gewinnen, die aufgrund ihrer Eigenschaften Emulsionen und Schäume stabilisieren können. Alternativ lassen sich aber auch sehr hydrophile Gruppen einbringen, wobei speziell eine Modifikation mit negativ geladenen Carboxylat-Gruppen von Interesse ist. Eine Einbringung dieser Ladungen auf der Oberfläche von gebündelten Cellulose-Nanofibrillen ermöglicht deren bessere Individualisierung in einzelne, freie Nanofibrillen durch die elektrostatische Abstoßung der Oberflächenladungen. Diese bilden in Wasser eine Dispersion, die gelartig ist und eine ähnliche Konsistenz hat wie Pudding oder Haargel. Wie in der Abbildung dargestellt, lassen sich daraus Hydrogel-Formkörper herstellen. Diese dispergierten Cellulose-Nanofibrillen eignen sich aufgrund ihres Fließverhaltens auch vor allem auch für den 3D-Gel-Druck. Aktuell werden hier im FWF-Projekt „5D-Click-Druck“ in Kooperation mit Forscher*innen der Julius-Maximilians-Universität Würzburg Drucktinten entwickelt, um Biostrukturen für Zellversuche herzustellen. VOLLES POTENZIAL AUSSCHÖPFEN Ganz besonders interessant ist eine weitere Eigenschaft dieser funktionalisierten Nanofibrillen, nämlich dass sich deren Funktionalisierung sehr leicht rückgängig machen lässt. Das war mit allen bisher gängigen Modifizierungsmethoden unmöglich. Warum man zuerst eine chemische Reaktion durchführen und diese dann ungeschehen machen will, wirkt zunächst vielleicht unverständlich, aber nur so lässt sich erstmals das volle Potenzial dieser Nanofibrillen ausschöpfen. Wie oben erklärt, können die (z. B. negativ geladenen) Cellulose-Nanofibrillen in jegliche Form gebracht werden, mit Gussformen oder mittels 3D-Druck. Durch die Reversibilität der Funktionalisierung kann nun die native Oberflächenstruktur der geformten Cellulose-Nanofibrillen zurückgewonnen werden. Somit lassen sich erstmalig die natürlichen Wechselwirkungen zwischen einzelnen Nanofibrillen – und damit die natürliche Stabilität in menschlich hergestellten Formmaterialien – erreichen, da es sich um wirkliche Cellulose und eben nicht um modifizierte und damit „geschwächte“ Cellulose handelt. Die Forschungsergebnisse zu Cellulose- Nanofibrillen wurden im Journal of the American Chemical Society (JACS) publiziert und erhielten sogar die Titelseite. INTERNATIONALE KOOPERATIONEN Wir sind zuversichtlich, dass wir dadurch die bisherigen Limitierungen der mechanischen Eigenschaften von Cellulose-Nanomaterialien überwinden können und durch die Vielseitigkeit der Methode neue Anwendungen für Nanocellulosen ermöglichen. Dies ist ein gutes Beispiel für den Vorteil der Grundlagenforschung: Mit einer solchen allgemeinen Methode wird eben nicht nur ein einzelnes neues Material vorgestellt, sondern vielmehr eine allgemeine Methode zur Verfügung gestellt, die nun quasi weltweit von allen Cellulose-Chemiker*innen und Materialwissenschaftler*innen genutzt, adaptiert und weiterentwickelt werden kann. Die aktuelle Forschung in diesem Gebiet wird durch Zusammenarbeit innerhalb der BOKU sowie nationalen und internationalen Kooperationen, mit Forschungsinstitutionen, besonders mit Finnland und Kanada, vorangetrieben. • PUBLIKATIONEN: Nature Green Chemistry Journal of the American Chemical Society Dr. Marco Beaumont forscht als Habilitand im Bereich Biokolloidchemie am Institut für Chemie nachwachsender Rohstoffe. BOKU Magazin 4 | 2021 17
Seite 1 und 2: BOKU DAS MAGAZIN DER UNIVERSITÄT D
Seite 3 und 4: EDITORIAL Georg Wilke O WERKSTOFFEN
Seite 5 und 6: Was war beim Wechsel von der Wissen
Seite 7 und 8: verändert hat. Da war ich, ehrlich
Seite 9 und 10: gerung des Lignins zu erreichen und
Seite 11 und 12: MATERIALIEN DER ZUKUNFT Klimawandel
Seite 13 und 14: WoodCAST - Es geht um Holz RESSOURC
Seite 15: BOKU/Institut für Holztechnologie
Seite 19 und 20: Gesamtbudget von 4 Mio. Euro wird w
Seite 21 und 22: Leichtplatte mit Holzschaumkern und
Seite 23 und 24: BOKU-Forscher*innen entwickelten
Seite 25 und 26: „SolarCircle“: Wie klimafreundl
Seite 27 und 28: Viel „Glyk“ in der Pflanzenbiol
Seite 29 und 30: Privat Oben: Glykan- Array zur Unte
Seite 31 und 32: Sie haben an der BOKU studiert? Zot
Seite 33 und 34: Adobe Stock REFERENZPROJEKTE: O GIA
Seite 35 und 36: Nanometer, was weniger als dem Zehn
Seite 37 und 38: Bundespräsident zu Besuch beim BOK
Seite 39 und 40: GENDER & DIVERSITY Who cares und wo
Seite 41 und 42: Clemens Fabry BOKU BOKU Forschungss
Seite 43 und 44: BOKU:BASE Eröffnungsfeier Von Team
Seite 45 und 46: Bernhard Gröger Adobe Stock LESSON
Seite 47 und 48: Bernhard Gröger Trockenheit ist ei
Seite 49 und 50: T. Kager/BOKU Messungen (Eddy-Kovar
Seite 51 und 52: Material der Zukunft

BOKU Magazin 4/2021

Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.

Template löschen?

Als Template speichern?