Ultradünne Zellulosefilme Das Papier aus der Sprühdose

Ein ultradünnes und glattes Spezialpapier für den potenziellen Einsatz in Biosensoren – dies hat ein schwedisch-deutsches Forscherteam mit einem neuen Sprühverfahren realisiert. Die Zelluloseschichten sind dabei nicht nur extrem dünn, sie lassen sich auch bereits in industriellem Maßstab in Bahnen von bis zu 50 Metern Länge produzieren.

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DESY Deutsches Elektronen- Synchrotron

Hamburg – Papier ist nicht nur zum Schreiben geeignet. Speziell hergestellte Sorten bieten weitaus vielfältigere Anwendungsmöglichkeiten. „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“, sagt Calvin Brett vom Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY und der Königlich-Technischen Hochschule (KTH) Stockholm.

Brett ist der Hauptautor einer Studie, die ein neues Sprühverfahren und die damit realisierten Schichten aus Zellulose-Nanofasern untersucht hat. „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.

Ultradünn und extrem glatt

Bei dem an der KTH Stockholm und bei DESY entwickelten Verfahren werden Zellulose-Nanofasern mit einer mittleren Länge von 500 Nanometern und einer typischen Dicke von 3 bis 5 Nanometern in einer wasserhaltigen Trägerflüssigkeit auf einen Siliziumträger gesprüht. Das Trägermaterial wird auf 120 °C 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“, sagt Stephan Roth von DESY.

Maßgeschneiderte Eigenschaften

An der von Roth geleiteten Messstation P03 am PETRA III untersuchte das Team die innere Struktur der Zellulosefilme mit Röntgenstrahlung. Unter anderem analysierten sie die Menge des noch gebundenen Wassers in den fertigen Zellulosefilmen. Dabei stellten sie fest, dass die Wassermenge mit der elektrischen Oberflächenladung der aufgesprühten Nanofasern zunimmt. Diese elektrische Ladung lässt sich während der Produktion gezielt beeinflussen und somit können die Eigenschaften des Films gesteuert werden.

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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 wird, nutzten die Forscher die Kleinwinkelstreuanlage KWS-1 des Forschungszentrums Jülich am Heinz-Maier-Leibnitz-Zentrum (MLZ) in Garching. Sie untersuchten die Folgen, wenn das Material benetzt und getrocknet wird, und analysierten die Hohlräume im Film, in die sich funktionale Stoffe wie Polymere oder Metalle einschleusen lassen. „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.

50 Meter langes Nanopapier bereits möglich

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.

Originalpublikation: 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: Water-Induced Structural Rearrangements on the Nanoscale in Ultrathin Nanocellulose Films, Macromolecules 2019, 52, 12, 4721-4728; DOI: 10.1021/acs.macromol.9b00531

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