New Super Wood Beats Metals in Feats of Strength

Durch Einweichen von Holz in einer Mischung aus Chemikalien und anschließendes Pressen und Erhitzen haben Forscher ein Material geschaffen, das stärker ist als Stahl, schreibt Sid Perkins für Scientific American.

Werkstoffwissenschaftler haben jahrzehntelang daran gearbeitet, Holz zu quetschen, es abzukühlen und durch Walzen laufen zu lassen, es mit Ammoniak oder Dampf zu behandeln – alles mit dem Ziel, ein starkes, zähes Material aus einem relativ erneuerbaren Rohstoff zu schaffen. Das neue Holz ist dreimal so dicht wie natürliches Holz und 12-mal stärker, berichten die Forscher in einer neuen Studie, die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde.

„Weiche Hölzer wie Kiefer oder Balsa, die schnell wachsen und umweltfreundlicher sind, könnten langsam wachsende, aber dichtere Hölzer wie Teakholz in Möbeln oder Gebäuden ersetzen“, sagt Liangbing Hu, Materialwissenschaftler an der University of Maryland, College Park und einer der Autoren der Studie, laut einer Pressemitteilung.

Andere Methoden zur „Verdichtung“ von Holz erzeugen ein Material, das dazu neigt, sich wieder in seine ursprüngliche Größe und Form auszudehnen, wenn Feuchtigkeit eintritt, erklärt Perkins. Der neue Ansatz verbessert das Holz in einer Weise, dass es feuchtigkeitsbeständig ist, indem es ein gleichmäßig dichteres Endergebnis erzeugt.

„Diese Art von Holz könnte in Autos, Flugzeugen, Gebäuden – überall dort, wo Stahl verwendet wird – eingesetzt werden“, erklärt Hu David Grossman, der für Popular Mechanics berichtet. Die Wolkenkratzer der Zukunft könnten sogar aus Holz gebaut werden.

Der Prozess beginnt mit dem Einweichen des Holzes in einem Bad aus Natriumhydroxid und Natriumsulfat. Diese beiden Chemikalien wirken zusammen, um Lignin und Hemicellulose, zwei Polymere, die die Zellwände von Pflanzen starr machen, teilweise zu entfernen. Entscheidend ist, dass die Chemikalien einen Großteil der Zellulose, eines dritten Polymers, intakt lassen. Die Zellwände des Holzes werden dadurch weniger starr und poröser. Anschließend pressten die Forscher das Holz, während sie es auf etwa 100 Grad Celsius erhitzten. Holz hat viele natürliche Kanäle, sogenannte Lumina, die entlang der Wachstumsrichtung verlaufen. Diese Kanäle und Zellwände kollabieren während des Erhitzungs- und Pressvorgangs, und es bilden sich neue Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Zellulosemolekülen, wodurch das Material härter wird.

Das Endergebnis, das unter dem Mikroskop zu sehen ist, sind dicht aneinander gepackte Holzschichten, berichten die Forscher in ihrer Arbeit. Das fertige Material ist etwa ein Fünftel so dick wie das ursprüngliche, hat aber die dreifache Dichte.

Die Forscher unterzogen ihr verdichtetes Holz dann einer Reihe von Tests, um seine mechanischen Eigenschaften zu messen. Sie testeten seine Belastbarkeit. Sie testeten seine Steifigkeit, seine Zugfestigkeit (wie gut es Zugkräften standhält) und wie gut es sich biegen lässt. Insgesamt war das Ergebnis ein raues und unruhiges Stück Holz. In einem Feuchtigkeitstest schwoll das Holz nur um 8,4 Prozent an, blieb aber trotzdem zäh.

Mit einer ballistischen Luftpistole schossen sie außerdem ein Stahlprojektil auf das Holz. Fünf Schichten des Materials zusammen hielten ein Geschoss auf, das sich mit der Geschwindigkeit bewegte, die ein Auto vor einem Zusammenstoß haben könnte, berichtet Mark Zastrow für Nature.

Die Ergebnisse waren beeindruckend, aber nicht genug, um einige Experten zu überzeugen. Zastrow sprach mit Fred Kamke von der Oregon State University, der nicht an den neuen Forschungen beteiligt war. Kamke wies darauf hin, dass 24 Lagen verdichtetes Pappelholz in der Lage waren, ein 9-mm-Geschoss, das aus einer Entfernung von 25 Fuß abgefeuert wurde, aufzuhalten, ohne dass eine chemische Behandlung erforderlich war. „Diese anderen Methoden sind wahrscheinlich viel billiger als ein siebenstündiges Auskochen in einer Lauge“, sagt er.

Aber Hu und seine Kollegen machen weiter mit ihrem „Superholz“, berichtet Stu Borman für Chemical & Engineering News. Ein Spin-off-Unternehmen mit dem Namen Inventwood hofft, die Technologie vermarkten zu können und sieht die Zukunft von Fahrzeugen, Flugzeugen, Schiffscontainern, Fußböden, Rüstungen und vielem mehr, das aus gekochtem, behandeltem und gepresstem Holz gebaut wird, das stärker als Stahl ist.