Materialien der Zukunft: Graphen und Lignin

Die Verwendung von Holz im Bauwesen ist aufgrund wachsender Bedenken hinsichtlich der Umweltauswirkungen von Beton wieder in den Vordergrund gerückt. Allerdings nimmt Holz Feuchtigkeit aus der Umgebung auf, was zu Fäulnis, Schimmel und anderen Schäden führt. Allein in Schweden belaufen sich die Kosten für die Behebung von Wasserschäden an Gebäuden auf über 500.000.000 Euro pro Jahr. Um dieses Problem anzugehen, haben Forscher des Graphene Flagship Associated Member Research Institutes of Sweden (RISE) einen in Holz eingebetteten Graphensensor entwickelt, der sowohl die Umgebungsfeuchtigkeit als auch die Feuchtigkeit im Holz erfassen kann.

RISE koordiniert das Digital Cellulose Center (DCC), dessen Ziel es ist, forstbasierte Materialien und Produkte durch nachhaltige Elektronik und die Kreislaufwirtschaft in die digitale Welt einzubinden. „Der Graphen-Feuchtigkeits- und Feuchtigkeitssensor hat wirklich einen nachhaltigen Weg für die Elektronik aufgezeigt und großes Interesse sowohl bei den akademischen als auch bei den industriellen Partnern des DCC geweckt“, sagt Ursula Hass, Direktorin des DCC-Zentrums, die bei RISE ansässig ist.

Bei dieser „Lignographie“-Methode strukturierte das Team Sensoren mithilfe einer druckbaren Tinte aus Lignin – einem komplexen organischen Polymer, das in den Zellwänden vieler Pflanzen vorkommt und ein Nebenprodukt der Papier- und Zellstoffindustrie ist – und Zellulose, die in Graphit umgewandelt wurden Graphen bei Bestrahlung mit einem Laserstrahl.

Nach dem Graphitisierungsprozess konnten diese Sensoren in verschiedenen Holzarten Luftfeuchtigkeiten im Bereich von 10 % bis 90 % bei 25 °C messen. Die aus Fichten- und Kiefernholz gefertigten Sensoren zeigten eine hohe Empfindlichkeit mit Werten von 2,6 bzw. 0,74 MΩ für jeden Anstieg der Luftfeuchtigkeit um 1 %. Schließlich zeigten die Forscher, dass die von diesen Sensoren erfassten Änderungen der Luftfeuchtigkeit über einen angeschlossenen Computer aus der Ferne abgelesen oder mit einem einfachen LED-System visualisiert werden können.

Feuchtigkeitssensor hergestellt aus handelsüblichem Fichtenholz. a) Das Holz wurde zunächst mit einer wasserbasierten Tinte, die Lignin und Zellulosepolymere enthielt, in Form einer Fichte beschichtet. Anschließend wurden mit einem CO2-Laser zwei Kohlenstoffelektroden aus der Tintenbeschichtung hergestellt, wobei zwischen den Elektroden etwas Tinte unberührt blieb, um als Adsorptionsschicht für die Feuchtigkeitserkennung zu dienen. b) Zwei auf einer Holzoberfläche hergestellte Sensoren, einer von der Vorderseite her abgedichtet, während der andere zur Umgebung hin offen gehalten wurde. (Quelle: RISE)

RISE-Forscher haben auch mit Lignin graphitierte elektronische Komponenten wie Widerstände und triboelektrische Energieerntemaschinen demonstriert, die ähnliche „Lignographie“-Prozesse beinhalten.

„Die Forschung unserer Gruppe ebnet den Weg für die Entwicklung von Sensoren auf Biographenbasis, Energieerntemaschinen sowie elektronischen Geräten und Schaltkreisen auf Basis nachhaltiger und recycelbarer Materialien wie Holz und Papier. Durch die Verwendung dieser Materialien, die als Papier entsorgt werden können.“ „Wir hoffen, durch die Einführung elektronischer Mülleimer den Bedarf an elektronischen Mülleimern zu eliminieren“, erklärt Mohammad Yusuf Mulla von RISE.

Über Feuchtigkeitssensoren auf Holz hinaus arbeiten RISE-Forscher in Zusammenarbeit mit Lignin Industries AB und Bloom Renewables SA auch an neuen Arten von Materialien auf Ligninbasis, die Druck und mechanische Einflüsse erkennen können. Mit diesen „intelligenten Materialien“ lassen sich beispielsweise Ein-/Ausschalter und Lautstärkeregler durch Biegen oder Antippen statt durch Drücken von Knöpfen betätigen.

Das Team bereitet die intelligenten Materialien auf Ligninbasis vor, indem es Lignin chemisch entweder in duroplastische oder thermoplastische Formulierungen umwandelt. Diesen Verbundwerkstoffen werden funktionelle Additive wie BaTiO3 und reduziertes Graphenoxid zugesetzt. Wenn eine äußere Kraft auf einen BaTiO3-Kristall ausgeübt wird, wird die Kristallstruktur verzerrt, wodurch sich seine positiven und negativen Ladungen trennen und ein elektrisches Feld entsteht. Gleichzeitig erhöht Graphen – ein ausgezeichneter Stromleiter – die Leitfähigkeit von Verbundwerkstoffen auf Ligninbasis und ermöglicht so die effiziente Übertragung elektrischer Ladungen. Im Vergleich zu kommerziellen piezoelektrischen Materialien auf Bleibasis sind Materialien auf Ligninbasis ein sichererer und nachhaltigerer Zusatzstoff für Berührungs- und Drucksensoren.

„Dank neuartiger Materialien wie Graphen stellen wir uns eine zukünftige Generation von Materialien vor, die aus Holz statt aus Erdöl gewonnen werden könnten und mit einem Fingertipp interessante Dinge tun könnten“, sagt Abhilash Sugunan von RISE.

Verweise

Mulla, Mohammad Yusuf et al. „Bio-Graphen-Sensoren zur Überwachung des Feuchtigkeitsgehalts in Holz und Umgebung.“ Globale Herausforderungen (2023): 2200235. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/gch2.202200235

Edberg, Jesper et al. „Ein waldbasierter triboelektrischer Energieernter.“ Globale Herausforderungen 6.10 (2022): 2200058. https://doi.org/10.1002/gch2.202200058

Edberg, Jesper et al. „Laserinduzierte Graphitisierung einer waldbasierten Tinte zur Verwendung in flexibler und gedruckter Elektronik.“ npj Flexible Electronics 4.1 (2020): 17. https://www.nature.com/articles/s41528-020-0080-2

Digital Cellulose Center (DCC), https://digitalcellulosecenter.se/

Wissenschaftsjournalist und Koordinator der Initiative „Diversity in Graphene“.

Wissenschaftsjournalist und Koordinator der Initiative „Diversity in Graphene“.