Pflanzen in Werkstoffe der nächsten Generation verwandeln
Auf dem Weg zu einer umweltfreundlicheren, nachhaltigeren Wirtschaft sind neue Werkstoffe erforderlich, die auf erneuerbaren Quellen beruhen. Nano- und Mikropartikel aus Zellulose und Lignin gelten als vielversprechende Ziele, da sie biobasiert sind und aus Pflanzen hergestellt werden. Im Rahmen des Projekts BioELCell, das vom Europäischen Forschungsrat finanziert wurde, erarbeiteten die Forschenden neue Methoden, um Polymere auf Pflanzenbasis zu zerlegen und sie zu funktionellen Werkstoffen wieder zusammenzusetzen, die die künftige Bioökonomie in Europa und der ganzen Welt unterstützen werden. „BioELCell hat Nanomaterialien auf Zellulosebasis erschlossen, die aus pflanzlichen Ressourcen, einschließlich Biomasserückständen, gewonnen werden“, sagt Orlando Rojas, Gastprofessor an der Aalto-Universität und ehemaliger Projektkoordinator von BioELCell.
Umweltfreundliche Nanofabrikation
BioELCell hat neue Methoden ausgearbeitet, bei denen umweltfreundlcihe Verfahren und Nanofabrikation zum Einsatz kommen, um eine Reihe neuer Werkstoffe auf Pflanzenbasis herzustellen. In den meisten Fällen ging es dabei um die Isolierung, Fraktionierung und Zerkleinerung von natürlich vorkommenden Polymerstrukturen. „Im Wesentlichen führt eine Top-Down-Dekonstruktion zu Bausteinen, die dann in einem Bottom-Up-Syntheseprozess zu neuen Strukturen zusammengesetzt werden, bei denen die den Werkstoffen innewohnenden Funktionen genutzt werden, allerdings in Form von speziell konzipierten Architekturen“, erklärt Rojas.
Neue Nanomaterialien sorgen für Begeisterung
Das BioELCell-Team hat mehrere neue Werkstoffe erstellt, die bei einem breiten Publikum und den Medien auf großes Interesse gestoßen sind. Dazu gehören aus Nanozellulose hergestellte Filamente, die im biomedizinischen Bereich als elektroaktive und strukturelle Werkstoffe Anwendung finden. Andere Entwicklungen umfassten das Upcycling von Abfällen aus der Agroforstwirtschaft zu Filamenten, Folien und 3D-gedruckten Werkstoffen. Diese können vielfältig eingesetzt werden, unter anderem für die CO2-Adsorption, als Baustoffe und sogar für künstliche Riffstrukturen. „BioELCell hat neuartige Biofabrikationsmethoden erschlossen, um komplexe Geometrien durch die Steuerung von Mikroorganismen (über Aerotaxis) in einem Biofabrikationsprozess zu erzeugen, die auf biomedizinische Implantate ausgeweitet wurden“, fügt Rojas hinzu. Die aus Schnittabfällen von Heidelbeersträuchern gewonnenen Architekturen wurden unter Wasser eingesetzt, u. a. bei Experimenten an der Küste von Cozumel in Mexiko, um die Wiederherstellung von Korallenriffen zu unterstützen.
Nanomaterialwissenschaft voranbringen
„In jüngster Zeit hat BioELCell wissenschaftliche Entdeckungen erreicht, die wichtige Auswirkungen auf den Bereich der Nanomaterialien auf der Basis von Chitin und Lignin haben“, so Rojas. Das erste ist ein Biopolymer, das aus Meeresbiomasse (wie Garnelen- und Krabbenresten), Pilzen und Insekten stammt, während das zweite ein aromatisches Biomakromolekül ist, das in Pflanzen vorkommt. BioELCell leistete Pionierarbeit bei der Entwicklung eines Aerosolsystems zur Herstellung von trockenen Ligninpartikeln, die u. a. zur Emulsionsstabilisierung, CO2-Abscheidung, für photonische Farben und Biolacke verwendet werden. Das Team hat zudem maschinelles Lernen eingesetzt, um Tannin-Mikrostrukturen zu konzipieren. Außerdem schufen sie mithilfe der verdampfungsinduzierten Selbstmontage von Zellulose-Nanokristallen einen „Superkleber“ auf Wasserbasis, dessen Leistung mit der von mikrogefertigten Gegenstücken nach dem neuesten Stand der Technik vergleichbar ist. „Es wurden viele weitere fortgeschrittene Anwendungen gemeldet, zum Beispiel in biomedizinischen Geräten, Sensoren und Energiestoffen“, sagt Rojas.
Neue Partnerschaften bilden
Im Rahmen der Boreal Alliance und als Ableger von BioELCell wurde eine enge Partnerschaft zwischen Finnland und Kanada geknüpft. Zwei Organisationen an der Aalto-Universität und der University of British Columbia arbeiten nun daran, die Kreislaufwirtschaft im Forstsektor zu fördern. Ein gemeinsames Ziel dieser Organisationen ist die Verringerung des Risikos von Technologien zur Umwandlung erneuerbarer Ressourcen in Bioprodukte, die Förderung des Wissensaustauschs und die Wertsteigerung von Werkstoffen, die sonst als Abfall angesehen werden.
Schlüsselbegriffe
BioELCell, Lignin, Nanokristalle, Rückstände, Nanomaterialien, Wissenschaft, Pflanzen, nachhaltige Wirtschaft, Werkstoffe
