Ohne Nanotechnologie geht in vielen Bereichen des täglichen Lebens kaum noch etwas, denn mit Hilfe dieser können Techniken, Strukturen und Systeme entwickelt werden, die Materialien ganz neue Eigenschaften und Funktionen verleihen. Dank Nanotechnologie können beispielsweise spezielle Funktionstextilien wie Sportbekleidung hergestellt werden, die besonders wasserabweisend und gleichzeitig atmungsaktiv sind. Andere Anwendungsbereiche sind die Robotik, Prozesstechnik, Sensortechnik, Solartechnologie, Biotechnologie, Medizin, Verpackungsindustrie und sogar kosmetische Produkte und Lebensmitteln.
Wissenschaftler des Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY und des KTH Royal Institute of Technology in Stockholm haben nun ein neues Sprühverfahren entwickelt, um sehr gleichmäßige Schichten aus Zellulose-Nanofasern (CNF) im industriellen Maßstab zu produzieren. Bei diesem Verfahren werden Zellulose-Nanofasern mit einer mittleren Länge von 500 Nanometern (millionstel Millimetern) und einer Dicke von 3 bis 5 Nanometern in einer wasserhaltigen Trägerflüssigkeit auf einen Siliziumträger gesprüht.
Holz als Grundstoff
„Ich beschäftige mich mit dem Einsatz von Zelluloseschichten als Substrate und strukturgebende Materialien für potentielle Anwendungen im Bereich flexibler Elektronik“, sagt DESY-Wissenschaftler Professor Stefan Roth, wie er auf die Idee der neuen Technik gekommen ist. „Sprühverfahren haben den Vorteil, dass man beliebig große Flächen und praktisch jeden Untergrund kontrolliert und gleichmäßig Lage für Lage in kurzer Zeit beschichten kann. Die Schichtdicke kann dabei sehr einfach und auf Milliardsten Meter genau über die Sprühdauer eingestellt werden. Daher wird das Sprühverfahren heutzutage bereits häufig bei der Herstellung von Plastikelektronik und Solarzellen eingesetzt.“
Anhand von Röntgenuntersuchungen an DESYs Forschungslichtquelle PETRA III, Untersuchungen mit einem Rasterkraftmikroskop und Untersuchungen per Neutronenstreuung konnten die Wissenschaftler genau zeigen, wie die Schichtstruktur aufgebaut ist. Außerdem kann so eine Struktur beispielsweise für extrem dünnes, glattes und festes Nanopapier maßgeschneidert werden.
Poröse, nanostrukturierte Zellulosefilme würden eine Reihe vorteilhafter Eigenschaften besitzen, „die sie für verschiedene Anwendungen interessant machen, von ultrastarken bioaktiven Fasern bis hin zu transparentem leitfähigem Nanopapier“, erklärt 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.“ Da Holz ein natürlich nachwachsender Rohstoff ist, können die Zellulosefilme eine gute Alternative zu mineralölbasierten Kunststoffen darstellen, die bisher bei Produkten wie funktionalen Polymere genutzt werden.
Elektrische Ladung steigt mit Menge des gebundenen Wassers
Bei der Herstellung wird das Trägermaterial auf 120 Grad Celsius aufgeheizt, damit das Wasser schnell weitgehend verdampft und so eine gleichmäßige, nur 200 Nanometer dünne Zelluloseschicht ensteht. Das Nanopapier. „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.
Analysen der Zellulosefilme zeigten, dass die Oberflächenladung der aufgesprühten Nanofasern zunimmt, je größer die Menge des noch gebundenen Wassers ist. Diese elektrische Ladung ließe sich während der Produktion gezielt beeinflussen und somit die Eigenschaften des Films steuern, sagen die Forscher. Untersuchungen mit dem Rasterkraftmikroskop zeigten außerdem, dass der Film umso glatter wird, je stärker die Einzelfasern elektrisch geladen sind.
Die Wissenschaftler untersuchten außerdem die Hohlräume im Film, in die man Stoffe wie Polymere oder Metalle einbringen könnte und was passiert, wenn das Material benetzt und getrocknet wird.„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.
Produktion im industriellen Maßstab
Mitlerweile kann man solche Schichten nicht nur im Labor, sondern inzwischen auch im industriellen Maßstab produzieren und zum Beispiel auf eine 50 Meter lange Folie einen Zellulosefilm „mit nur zwei Nanometern Rauigkeit aufzutragen“. Gegenüber „herkömmlichem“ Nanopapier hätten die neuen Zellulosefilme zahlreiche Vorteile.„Uellulosenanofibrillen („CNF“, Durchmesser 5 nm, Länge mehrere 100 nm) haben den Vorteil, mechanisch ultrastark zu sein; man kann aus diesen Biomaterialien die weltstärksten Fasern herstellen, wie wir zusammen mit unseren Kollegen von der KTH kürzlich gezeigt haben“, betont Roth. „Desweiteren ist die Rauigkeit der von uns im Sprühverfahren hergestellten Filme nur ein Milliardstel Meter und damit im für die Herstellung z.B. von Solarzellen im technisch relevanten Bereich für Dünnschichtverfahren.“
Als nächstes wollen Roth und seine Kollegen funktionale Polymere in den Zellulosefilm einbauen um so zum Beispiel ein Sensormaterial herstellen zu können. „Zunächst haben wir Filme auf Silizium Oberflächen hergestellt, um die Eigenschaften dieser (CNF) Filme zu untersuchen“, sagt er. „Ziel ist es, ultradünne, freitragende, ultrastarke mechanische Filme basierend auf diesen Filmen herzustellen. Während der Herstellung könnten diese dann durch geschicktes Mischen mit z.B. leitfähigen Polymeren funktionalisiert werden und als Template für flexible elektronische Anwendungen dienen.“
Die Forscher stellen ihre Strukturanalysen im Fachblatt „Macromolecules“ vor.
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