© ACS Nano / Empa

Das Team um Ingo Burgert an der Empa – Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt und der ETH Zürich hat schon wiederholt gezeigt, dass Holz mehr ist als Baumaterial oder Feuerholz. Die Wissenschaftler suchen nach Wegen, die Eigenschaften von Holz so zu erweitern, dass es sich für völlig neue Anwendungsbereiche eignet, wie zum Beispiel als hochfestes, wasserabweisendes oder magnetisierbares Holz. Im neuesten Forschungsprojekt, das das Team gemeinsam mit der Empa-Forschungsgruppe um Francis Schwarze und Javier Ribera durchgeführt hat, ging es um ein einfaches, umweltfreundliches Verfahren, elektrische Spannung mit einer Art Holzschwamm zu erzeugen.

Piezoelektrischer Effekt

„Will man mit Holz eine elektrische Spannung erzeugen, kommt der sogenannte piezoelektrische Effekt ins Spiel“, erklären die Forscher. Piezoelektrizität bedeutet, dass die elastische Verformung von Festkörpern elektrische Spannung erzeugt. Das ist nichts Neues, bisher wird dieses Phänomen aber hauptsächlich in der Messtechnik angewendet. Mithilfe von Sensoren, die beispielsweise bei mechanischer Belastung ein Ladungssignal erzeugen. Diese Sensoren verwenden jedoch oft Stoffe wie Blei-Zirkonat-Titanat (PZT) und sind daher für einen Gebrauch in der Biomedizin nicht geeignet, denn Blei kommt für den Einsatz auf der Haut nicht in Frage. Außerdem ist eine ökologische Entsorgung dieser Stoffe sehr schwierig.

Ganz im Gegensatz zum natürlichen piezoelektrischen Effekt von Holz, der eindeutige Vorteile hat und dessen Effekt auch zur nachhaltigen Energiegewinnung dienen könnte. Allerdings muss Holz dazu erst einmal die entsprechenden Eigenschaften haben. Ohne spezielle Behandlung entsteht bei einer mechanischen Beanspruchung des Holzes nämlich nur eine sehr geringe elektrische Spannung.

Vom Klotz zum Schwamm

Um dem Holz diese nötigen Eigenschaften zu verleihen, wendete Jianguo Sun, Doktorand im Team von Burgert, ein Verfahren an, das die Grundlage für diverse Weiterentwicklungen darstellt: die Delignifizierung. Holzzellwände bestehen aus drei Grundstoffen: Lignin, Hemizellulosen und Zellulose. „Das Lignin benötigt ein Baum in erster Linie, um weit in die Höhe wachsen zu können“, erklärt Burgert. „Ohne Lignin als stabilisierenden Stoff, der die Zellen verbindet und das Ausknicken der zugsteifen Zellulosefibrillen verhindert, wäre das nicht möglich.“

So funktioniert ein piezoelektrischer Nanogenerator: Nachdem die starre Holzstruktur aufgelöst wurde, bleibt ein flexibles Zellulosenetzwerk übrig. Wird dieses zusammengedrückt, werden Ladungen getrennt und eine elektrische Spannung erzeugt. Bild: ACS Nano / Empa

Um Holz in ein leicht verformbares Material umzuwandeln, müsse das Lignin zumindest teilweise „herausgelöst“ werden, indem man es in eine Mischung aus Wasserstoffperoxid und Essigsäure einlege. Das Lignin wird dann im Säurebad herausgelöst. Was übrig bleibt, ist ein weißer Holzschwamm aus übereinanderliegenden, dünnen Zelluloseschichten, die sich einfach zusammenpressen lassen und sich dann wieder in ihre ursprüngliche Form ausdehnen. Burgerts Team ging es bei diesem Verfahren darum, mit relativ einfachen und umweltschonenden Prozessen zu arbeiten: „Wir machen uns die hierarchische Struktur des Holzes zunutze, ohne sie, wie etwa bei der Papierherstellung, zuerst aufzulösen und die Fasern anschließend wieder verbinden zu müssen.“

Strom aus dem Fußboden

Der Testwürfel mit einer Seitenlänge von etwa 1.5 cm wurde durch rund 600 Belastungszyklen geschickt. Dabei zeigte das Material eine „erstaunliche Stabilität“. Die Forscher maßen bei jeder Belastung eine Spannung von rund 0.63 V. Die würde ausreichen, um sie für Sensor anzuwenden. In weiteren Experimenten konnten die Forscher zeigen, dass 30 solcher Holzklötze, wenn sie mit dem Körpergewicht eines Erwachsenen parallel belastet werden, bereits ein einfaches LCD-Display zum Leuchten bringen. Bei einer weiteren Optimierung des Prozesses wäre somit sogar ein funktionalisierter Parkettboden möglich, der die Trittenergie in Strom umwandelt. Außerdem testeten die Wissenschaftler die Tauglichkeit als drucksensitiven Sensor auf der menschlichen Haut. Dadurch konnten sie zeigen, dass auch eine Anwendung im medizinischen Bereich möglich wäre.

Nanogenerator: Nachdem die starre Holzstruktur (links) mit einer Säure aufgelöst wurde, bleiben flexible Zelluloseschichten übrig (Mitte / rechts). Beim Zusammendrücken werden unterschiedlich geladene Bereiche gegeneinander verschoben. Die Oberfläche des Materials wird elektrisch aufgeladen. Bild: ACS Nano / Empa

Forschungen gehen weiter

Für die Zukunft wollen die Forscher aber noch einen Schritt weitergehen. Sie wollen das Verfahren so abwandeln, dass keine aggressiven Chemikalien nötig sind. Und sie fanden einen geeigneten Kandidaten in der Natur: den Pilz Ganoderma applanatum, der im Holz Weißfäulnis verursacht. „Der Pilz baut das Lignin und die Hemizellulose im Holz besonders schonend ab“, erläutert Empa-Forscher Javier Ribera das umweltverträgliche Verfahren. Zudem lasse sich der Prozess im Labor gut steuern.

Bis das „Piezo“-Holz auch in der Praxis als Sensor oder stromerzeugender Parkettboden genutzt werden kann, wird noch einige Zeit vergehen. Die Wissenschaftler arbeiten aber bereits an weiteren Forschungen und sind auch schon im Gespräch mit möglichen Kooperationspartnern. Veröffentlicht haben sie die Ergebnisse ihrer Forschung im renommierten Fachmagazin „Science Advances“.

Titelbild: Schon geringer Druck kann im Holzschwamm elektrische Spannung erzeugen. Bild: © ACS Nano / Empa

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Über den Autor

Author profile picture Petra Wiesmayer ist seit mehr als 25 Jahren als Journalistin und Autorin tätig. Sie hat bis heute hunderte Interviews mit Prominenten aus Entertainment, Sport und Politik geführt und zahllose Artikel über Entertainment und Motorsport für internationale Medien recherchiert und verfasst. Als großer Science-Fiction-Fan ist sie fasziniert von Technologien, die die Zukunft der Menschheit mitbestimmen könnten und liest und schreibt gerne darüber.