BioKomposit aus Tabakpflanze könnte Kunststoffe ersetzen

Artikel von Carla Columna am 1. Oktober 2019 um 11:29 Uhr im Forum Wissenschaft & Forschung - Kategorie: Wissenschaft

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BioKomposit aus Tabakpflanze könnte Kunststoffe ersetzen

1. Oktober 2019     Kategorie: Wissenschaft
Bisherige Naturmaterialien, die Kunststoffe ersetzen sollen, sind meist zu schwach. Ein neues bioabbaubares Material aus der Tabakpflanzen ist vergleichbar fest wie Kunststoff und Holz. Forscher des California Institute of Technology haben aus Pflanzenzellen ein Bioverbundmaterial hergestellt, das wie Holz und Kunststoff fest ist. Dazu kultivierte das Team zunächst Zellen der Tabakpflanze (Nicotiana tabacum) in einer flüssigen Suspension im Labor.
Anschließend komprimierten die Wissenschaftler die Zellen in einer wasserdurchlässigen Abformung, damit die darin enthaltene Flüssigkeit entweichen kann. Insgesamt verlieren die Zellen bei diesem Vorgang 98 Prozent ihres Gewichts. Dies bewirkt einen Phasenübergang und die Bildung kristalliner Strukturen in den Mikrofibrillen in den Zellwänden.

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Das resultierende Bioverbundmaterial ist bemerkenswert schwer. "Die mechanische Leistung unseres Biokomposits ist vergleichbar mit der von handelsüblichem Holz und Kunststoff", schreiben die Wissenschaftler auf ArXiv. "Sie übertreffen alle Literaturwerte für Pflanzenzellmaterialien, Myzel oder Hefematrizen." Der Zusatz von Carbonfasern machte das Material noch fester. Andere Additive können den Bioverbundstoff auch leitend oder magnetisch machen. Gleichzeitig ist es vollständig biologisch abbaubar. Die Forscher hoffen, dass ihr Material Teil einer neuen Gruppe von Materialien sein kann, die dazu beitragen, die globale Abhängigkeit von Kunststoffen zu verringern.


Die weltweite Zunahme des Materialverbrauchs erfordert innovative Materialien mit maßgeschneiderter Leistung und Multifunktionalität, die umweltverträglich sind. Verbundwerkstoffe aus nachwachsenden Rohstoffen bieten Lösungen, um diese Anforderungen zu erfüllen. Bisher dominierten jedoch mit natürlichen Füllstoffen verstärkte Matrices auf Basis von Hybrid-Petrochemikalien. Hier stellen wir biologische Matrix-Verbundwerkstoffe mit Eigenschaften vor, die mit denen von Holz und handelsüblichen Polymeren vergleichbar sind.
Die Biokomposite werden aus kultivierten, undifferenzierten Pflanzenzellen gewonnen, unter kontrollierten Bedingungen dehydratisiert und komprimiert und bilden eine lamellare Mikrostruktur. Ihre Steifigkeit und Festigkeit übertrifft die von handelsüblichen Kunststoffen mit ähnlicher Dichte wie Polystyrol und Polyethylen niedriger Dichte, ist jedoch vollständig biologisch abbaubar. Die Eigenschaften können durch Variation des Herstellungsprozesses weiter optimiert werden. Beispielsweise können Füllstoffteilchen während der Herstellung integriert werden, um die mechanische Reaktion zu variieren oder neue Funktionalitäten einzuführen.

Das Herstellungsverfahren ist unkompliziert. Das Team kultivierte Zellen der Tabakpflanze (Nicotiana tabacum) in einer flüssigen Suspension im Labor. Einige der Zelllinien, wie die BY-2-Linie, können sich in Suspension innerhalb einer Woche 100-fach vermehren. Roumeli und Co. geben zwar nicht an, welche Zelllinie sie verwenden, doch BY-2-Zellen erscheinen angesichts der Literaturliste des Artikels wahrscheinlich.

Jede Zelle hat eine Zellwand, die durch Mikrofibrillen aus Proteinen und Zellulose verstärkt ist. Die Zellwand umschließt das wässrige Zytoplasma, verschiedene biomolekulare Maschinen etwa zur Energieverarbeitung, und schließlich den Zellkern. Nach der Kultivierung erntete das Team die Zellen und komprimiert sie in einer wasserdurchlässigen Abdruckform, damit die in ihnen enthalten Flüssigkeit entweichen kann. "Während der Kompression diffundiert Wasser durch die Zellwand der Pflanze und das Zellvolumen wird allmählich reduziert", schreiben die Forscher. Insgesamt verlieren die Zellen bei diesem Prozess 98 Prozent ihres Gewichts.

Vergleich mit Synthetik
Anschließend erwärmte das Team das dehydrierte Material. Das bewirkt bei den Mikrofibrillen einen Phasenübergang und die Bildung von kristallinen Strukturen. "Das entstehende Material ist ein Biokomposit, das aus einer heterogenen Mischung von natürlich synthetisierten Biopolymeren besteht", so Roumeli und Co.

Darüber hinaus ist es auch bemerkenswert schwer. Das Team untersuchte seine mechanischen Eigenschaften und verglich es mit denen von Nadelhölzern wie Kiefer, Harthölzern wie Pappel, Eiche und Walnuss sowie mit jenen von kommerziellem Sperrholz und sogenannte mitteldichte Holzfaserplatten (MDF). Die Forscher verglichen das Material auch mit synthetischen Kunststoffen ähnlicher Dichte wie Polystyrol, Polypropylen und Polyethylen niedriger Dichte.

Das Ergebnis: "Die mechanische Leistung unserer Biokomposite ist vergleichbar mit der von handelsüblichen Holz- und Kunststoffen", schreiben Roumeli und Co. "Sie übertreffen alle in der Literatur angegebenen Werte für Materialien aus Pflanzenzellen, Myzel oder Hefematrices." Das Team machte das Material sogar noch fester, indem es ihm während der Herstellung Karbonfasern hinzufügte. Weitere Additive können das Biokomposit zudem leitfähig oder magnetisch machen

Natürliche Zersetzung
Eine wichtige Frage für die Nachhaltigkeit ist, wie sich dieser Werkstoff am Ende seiner Lebensdauer zersetzt. Schließlich könnte die Verarbeitung Biopolymere hervorbringen, die sich nicht nur schwer zersetzen.

Um das herauszufinden, wie nachhaltig das neue Material ist, vergruben Roumeli und Co ihre Proben zusammen mit etwas gewöhnlichem Holz in Erde. Beide Proben gewannen zunächst an Gewicht, indem sie Wasser aus dem Boden aufnahmen.

Aber dann zersetzten sich beide auf natürlichem Weg. "Der nachweisbare Massenverlust durch den biologischen Abbau der Biokomposite beginnt drei Wochen nach der Inkubation, bei Naturholz geschieht es etwa nach sieben Wochen", so das Team. "Wir beobachteten einen fast vollständigen biologischen Abbau des Biokomposits nach 14 Wochen."

Quelle: Verbundwerkstoff aus Tabak
 

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