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Materialwissenschaft: Überlegener ultraleichter Holzkohleschwamm

Ein aus Balsaholzkohle gebackener Minischwamm ist stabil, ultraleicht und nachhaltig flexibel verformbar. Aber wozu könnte man ihn eigentlich brauchen?
Ultraleichter und hochkomprimierbarer Bio-Schwamm

Balsaholz ist ein idealer Baustoff, wenn maximale Festigkeit bei minimalem Gewicht gefragt ist: Das Holz des Balsambaums erfüllt diese Bedingungen, weil seine tragenden Elemente in geringer Dichte optimal platziert sind. Diese Strukturvorteile kann man aber noch ganz anders nutzen, bewiesen japanische Forscher: Sie kochten sich aus Balsablöcken winzige, ultraleichte Schwämmchen, die zu ihrer Überraschung problemlos auch über lange Zeitspannen hinweg elastisch komprimierbar bleiben. Die einzigartigen Eigenschaften und das Kochrezept für ihre natürlichen Kohleschwämmchen fassen Chaoji Chen und seine Kollegen im Fachblatt" Chem" zusammen.

Ein Quader Balsaholz – das sich vor allem durch eine geringe Dichte auszeichnet – verwandelt sich schlicht in einen ultrafragilen Quader verkohlter Asche, wenn man ihn auf mehr als 1000 Grad Celsius erhitzt: Ein Puster reicht dann aus, um die Asche in alle Winde zu zerstreuen. Das ändert sich allerdings, wenn man, wie Chens Team, vor dem Verkohlen durch Erhitzen die Hemizellulose und Lignin-Polymere des Holzes chemisch abbaut. Dabei werden die regelmäßigen Zellwandstrukturen des Holzes aufgebrochen. Nun entsteht ein vollkarbonisierter Quader von übereinandergeschichteten, dezent gewölbten Kohlenstoffnetzen aus Waben, die die Mikrostruktur des Ausgangsmaterials widerspiegeln.

Ultraleichter und hochkomprimierbarer Bioschwamm
Ultraleichter und hochkomprimierbarer Bioschwamm

Der Block aus gewölbten Kohlenstofflagen, eine Kombination von Sprungfeder und Bienenwabe, ist flexibel elastisch verformbar: Drückt man ihn zusammen und lässt wieder los, springt er sogleich in die Ursprungsform. Diesen Vorgang kann man gut 10 000-mal wiederholen, so die Wissenschaftler nach einiger Experimentierarbeit.

Nun fragen die Forscher sich, was mit den Holzkohleschwämmchen anzufangen sein könnte. Wie weitere Tests zeigten, ändert sich unter Druck die Leitfähigkeit des Holzkohleschwamms stärker als bei anderen Materialien auf Kohlenstoffbasis. Somit ist denkbar, dass der Schwamm in "intelligenter" Kleidung oder im Fingerbereich von Handschuhen als Minisensor fungieren könnte – ein erster Prototyp bewährte sich bereits im Labor von Chen und Co. Vollstellbar sei wegen der besonderen Eigenschaften des Materials aber auch ein Einsatz in Wasserfiltereinrichtungen oder Energiespeichern, denken die Forscher mit Blick in die Zukunft.

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