Diese Zellulose-Nanofasern könnten eine Alternative zu erdölbasierten Kunststoffen sein

Einwegkunststoffe haben viele Leben gerettet, indem sie die Hygiene im Gesundheitswesen verbessert haben. Die schiere Menge an Kunststoffabfällen, deren Zersetzung Dutzende bis Hunderte von Jahren dauern kann, ist jedoch eine globale Geißel der Umweltverschmutzung. Aber jetzt, in einer Studie, die kürzlich in veröffentlicht wurde ACS-Nanohaben Forscher des Instituts für wissenschaftliche und industrielle Forschung (SANKEN) der Universität Osaka und Kooperationspartner außergewöhnlich vielseitige Hydrogele und Formteile entwickelt, die herkömmliche Kunststoffe ersetzen könnten.

Das globale Ausmaß des Plastikmülls erfordert dringend Lösungen und wird aus unterschiedlichen Perspektiven angegangen. Zum Beispiel im August 2022, Nationalgeographisch veröffentlichte ein Feature über das Recycling und die Wiederverwendung von Kunststoffabfällen. Dennoch „besteht die einzige langfristige Lösung darin, kostengünstige, leistungsstarke, kunststoffähnliche Alternativen zu entwickeln, die nicht in der Umwelt verbleiben“, sagt Takaaki Kasuga, Haupt- und Seniorautor. „Dies ist ein aktives Forschungsgebiet, aber die bisher vorgeschlagenen Alternativen haben die Bedürfnisse der Gesellschaft nicht erfüllt.“

Bei der Erforschung des weltweiten Bedarfs an einem Kunststoffersatz ließen sich Kasuga und Mitarbeiter von Zellulose-Nanofasern inspirieren. Zum Beispiel helfen diese ultrakleinen Fasern Pflanzen dabei, starre und dennoch leichte Strukturen zu bewahren. Tatsächlich tragen Zellulose-Nanofasern dazu bei, dass Holz – gemessen an einigen Metriken – stärker als Stahl ist. Die Fähigkeit, die hierarchische Natur solcher Nanofasern maßzuschneidern, hat sie zu einem aktiven Forschungsgebiet in synthetischem Gewebe und anderen Kontexten der Biotechnologie gemacht.

Derzeit sind verschiedene Techniken zum Formen von Nanofasern in eine kontrollierte Orientierung verfügbar; dh Anisotropie zu zeigen. Eine einfache Technik, die es ermöglicht, Zellulose-Nanofasern von der Nano- bis zur Makroskala auf mehreren Raumachsen zu formen, war jedoch lange Zeit nicht verfügbar. Um diesen Bedarf zu decken, verwendeten Kasuga und Mitarbeiter die elektrophoretische Abscheidung, um anisotrope Hydrogele und Formteile auf Zellulose-Nanofaserbasis herzustellen.

Es gab mehrere besonders beeindruckende Ergebnisse dieser Studie. Erstens wurden Zellulose-Nanofasern horizontal, zufällig und vertikal ausgerichtet, indem einfach die angelegte Spannung geändert wurde. Zweitens wurde ein mehrschichtiges Hydrogel mit abwechselnden Nanofaserorientierungen leicht hergestellt, in einer Weise, die an biologisches Gewebe erinnert. Drittens: „Wir haben problemlos komplexe Architekturen wie Mikronadeln und Mundstückformen hergestellt“, sagt Kasuga. „Die einheitliche Orientierung der Nanofasern trug dazu bei, das Reißen des Hydrogels zu unterdrücken, und führte so zu einer glatten Oberfläche beim Trocknen.“

Die in dieser Studie verwendete Technik ist nicht auf Zellulose-Nanofasern beschränkt. Die Forscher verwendeten zum Beispiel auch Natriumalginat und Nanoclay. Daher sind Mehrkomponentenmaterialien, die kontrollierte Orientierungen im Nanomaßstab aufweisen, ebenfalls einfach herzustellen. Eine unmittelbare Anwendung dieser Studie ist die unkomplizierte Herstellung komplexer, hierarchischer Hydrogele und Formkörper über einen weiten Bereich räumlicher Maßstäbe. Solche umweltfreundlichen Hydrogele und Formteile werden im Gesundheitswesen, in der Biotechnologie und anderen Anwendungen nützlich sein – und somit dazu beitragen, den Bedarf an erdölbasierten Kunststoffen zu verringern.