Innovatives Transparentes Holz bietet nachhaltige Kunststoffalternative

Eines der wichtigsten erneuerbaren und nachhaltigen Ressourcen ist Holz. Es ist überall um uns herum und besitzt erstaunliche Eigenschaften. Dieses langlebige und vielseitige Material ist ein natürlicher Isolator, der nicht verschmutzt und nachhaltig ist.

Holz hat ein breites Anwendungsspektrum, von Brennholz, Papier und Bauwesen bis hin zu Möbeln, Brennstoff, Aromastoffen und Duftstoffen. Es war seit Jahrhunderten entscheidend für die menschliche Zivilisation und wirtschaftliche Entwicklung. 

Jetzt sind wir alle mit Holz, seinen Anwendungsfällen und seiner Bedeutung in unserem Leben vertraut. Aber Holz kann sogar transparent gemacht werden. Dieses natürlich vorkommende, feste Material, das aus Bäumen gewonnen wird, kann durch das Ersetzen der wichtigsten Komponenten des Holzes in transparentes Holz umgewandelt werden.

Holz hat drei Hauptkomponenten: Cellulose, Hemicellulose und Lignin, und das Entfernen von Lignin und Hemicellulose macht Holz transparent. 

Die dunkle Farbe des Lignins ist auf die komplexen Chromophore zurückzuführen. Cellulose und Hemicellulose hingegen sind farblos.

Wenn diese Komponenten entfernt werden, bleibt ein poröses, papierähnliches Netzwerk aus Cellulose zurück. Ein farbloses Material füllt dann diese Poren und stellt etwas Steifigkeit wieder her. 

Diese faszinierende Umwandlung von Holz, die es transparent macht und gleichzeitig seine Festigkeit beibehält, ist nicht neu; sie wurde vor Jahrzehnten entdeckt, hat jedoch erst kürzlich an Bedeutung in der Forschung zu nachhaltigen Materialien gewonnen.

Transparentes Holz: Ein wissenschaftlicher Durchbruch

Die Umwandlung von Holz in ein transparentes Material wurde 1992 vom deutschen Wissenschaftler Siegfried Fink initiiert.

Die Idee war, die internen Mechanismen der holzigen Pflanzen zu sehen, jedoch ohne sie zu sezieren. Also bleichte der Botaniker die Pigmente und schuf transparentes Holz.

Über ein Jahrzehnt nach Finks Entdeckung wurde dieses Gebiet nicht weiter erforscht, bis Lars Berglund, ein Materialwissenschaftler am KTH Royal Institute of Technology in Schweden, ein alternatives zu transparentem Kunststoff untersuchte.

Fünf Jahre nach der ersten Entwicklung von transparentem Holz testeten die Forscher erfolgreich¹ eine umweltfreundliche Alternative im Jahr 2021. Die Alternative war Limonenacrylat, das aus erneuerbaren Zitrusabfällen wie Schalen hergestellt wird.

„Das Ersetzen der fossilen Polymere war eine der Herausforderungen, die wir bei der Herstellung von nachhaltigem transparentem Holz hatten.“

– Berglund sagte damals

Der neue Verbundstoff bot eine optische Transmission von 90 % bei 1,2 mm Dicke und ein extrem geringes Nebel von 30 %. Entwickelt für strukturelle Anwendungen, zeigte er eine hohe mechanische Leistung, mit einer Elastizität von 17 GPa (etwa 2,5 Mpsi) und einer Festigkeit von 174 MPa (25,2 ksi).

Zur gleichen Zeit, als das KTH Royal Institute erstmals transparentes Holz erforschte, war Professor Liang Bing Hu von der University of Maryland (UMD) daran interessiert, die Festigkeit von Holz zu nutzen. Sie fanden heraus, dass transparentes Holz, wenn es mit Epoxidharz kombiniert wird, zehnmal widerstandsfähiger als Glas und dreimal stärker als transparente Kunststoffe ist.

Im Jahr 2019 UMD-Forscher entwickelten² ein strukturelles Material mit einer mechanischen Festigkeit von 404,3 Megapascal, über achtmal höher als natürliches Holz, durch vollständige Delignifizierung und Verdichtung von Holz. Laut den Forschern kann ihr kühlendes Holz Energieeinsparungen zwischen 20 % und 60 % erzielen.

Die wachsende Beliebtheit von transparentem Holz in der Forschung

Mit kontinuierlichen Fortschritten in den letzten Jahren ist transparentes Holz nicht mehr nur ein wissenschaftliches Kuriosum. Es erlangt endlich Aufmerksamkeit, da Experimente Früchte tragen und Potenzial über Labore hinaus zeigen.

Die optischen, physikalischen und mechanischen Eigenschaften von transparentem Holz erzeugen besonders viel Aufsehen. Zum Beispiel ist transparentes Holz sehr stark und gleichzeitig leicht.

Nicht zu vergessen, transparentes Holz ist auch viel besser isolierend als Glas, was enorme Vorteile in der Architektur bedeutet. Allerdings wurde festgestellt, dass Glas umweltfreundlicher ist, da es ungiftig und leichter zu recyceln ist.

Dennoch hat transparentes Holz zahlreiche Umweltvorteile, ähnlich wie jedes andere aus Pflanzen gewonnenes Material. Zum einen ist es biologisch abbaubar. Es kann zudem unbegrenzt angebaut werden, und dieses neue Wachstum bindet und speichert CO₂, was für die Umwelt vorteilhaft ist.

Eine Lebenszyklus-Analyse-Studie zu transparentem Holz³ ergab, dass dank seiner erneuerbaren und biologisch abbaubaren Eigenschaften transparentes Holz das Potenzial hat, herkömmliche erdölbasierte Polymere zu ersetzen. Seine End-of-Life‑Analyse zeigte im Vergleich zu Polyethylen signifikant reduzierte ökologische Auswirkungen (107‑fach).

Die Studie stellte weiter fest, dass die „Cradle‑to‑Gate“-Analyse von TW zeigt, dass die Delignifizierung mit Natriumsulfit, Natriumhydroxid und Wasserstoffperoxid sowie die Epoxid‑Infiltration die geringsten Umweltauswirkungen haben. 

Was die Anwendungsfälle betrifft, kann transparentes Holz in Leuchten, intelligenten Fenstern und sogar in Smartphones verwendet werden. Es wird auch erwartet, dass es im Automobilsektor Anwendung findet, wobei Ingenieure an der Integration von Elektronik in berührungsempfindliches transparentes Holz arbeiten. 

Weitere Anwendungen für dieses Holz werden ebenfalls entwickelt, darunter holzbasiertes Leuchtdioden (LEDs) und Abschirmungen gegen elektromagnetische Interferenzen (EMI) durch Zugabe von magnetischen Nanopartikeln. 

Aber natürlich ist die breite Einführung von transparentem Holz noch nicht erreicht, weil es an einer skalierbaren Fertigungstechnik fehlt. Zusätzlich arbeiten Forscher daran, die Nachhaltigkeit der Produktion von transparentem Holz zu verbessern.

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Natürliche Materialien zur Herstellung von starkem, transparentem Holz verwenden 

Forscher haben tatsächlich halbtransparentes Holz entwickelt unter Verwendung natürlicher Materialien wie Eiweiß und Reis, was zu einer robusten, biologisch abbaubaren Alternative zu Kunststoffen führt.

Bharat Baruah, Professor für Chemie an der Kennesaw State University (KSU), präsentierte die Forschung auf einem Treffen der American Chemical Society (ACS). Die Forschung zielt darauf ab, transparentes Holz (TW) mit Eigenschaften wie elektrischer Leitfähigkeit, optischer Transparenz und Flexibilität zu schaffen.

Mit diesen Eigenschaften kann Holz in energieeffizienten und elektrischen Geräten verwendet werden, die unverzichtbare Bestandteile unseres Lebens sind.

Um Geräte wie Sensoren, flexible Elektronik und Energiespeicher zu bauen, benötigen wir preiswerte und leicht verfügbare Materialien, die einfach herzustellen sind. Traditionell haben Kunststoffe diese Rolle erfüllt, aber diese nicht‑biologisch abbaubaren Materialien verbleiben Hunderte von Jahren in der Umwelt und schaden dem Ökosystem.

„Heutzutage ist Plastik überall, auch in den Geräten, die wir mit uns tragen. Und es ist ein Problem, wenn wir das Ende der Lebensdauer dieses Geräts erreichen. Es ist nicht biologisch abbaubar. Also fragte ich mich, was wäre, wenn wir etwas Natürliches und Biologisch Abbaubares schaffen könnten?“

– Baruah

Mit dem Ziel, Alternativen zu finden, die günstiger, leicht verfügbar und einfach in elektronische Geräte zu integrieren sind, haben die Forscher natürlich Holz in den Blick genommen.

In der neuesten Studie imprägnierten die Forscher das delignifizierte Holz (DW) mit einem biokompatiblen und biologisch abbaubaren Polymer, um transparentes Holz (TW) zu erzeugen. Diese natürlichen Polymere verliehen dem transparenten Holz Flexibilität.

Gleichzeitig führte die Einbindung von Silbernanodrähten (AgNWs) dazu, dass dem TW elektrische Leitfähigkeit verliehen wurde. Das resultierende modifizierte Holz (MW) habe laut den Forschern „ein enormes Potenzial in der Optoelektronik, Energiespeicherung und biomedizinischen Geräten“.

Dieses innovative Material kann potenziell Industrien revolutionieren, indem es einen umweltfreundlichen Ersatz für Kunststoffe in Produkten wie Smartphone‑Bildschirmen und energieeffizienten Fenstern bietet. Angesichts seiner vielversprechenden Eigenschaften könnten kommerzielle Anwendungen in den nächsten 3 bis 5 Jahren erwartet werden.​

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Erweiterung der Anwendungen von transparentem Holz durch Ermöglichung von Leitfähigkeit 

Transparente Hölzer, die bereits seit Jahren entwickelt werden, verwenden immer noch Kunststoff, eine Form davon (Epoxidharze), um sie zu verstärken. Daher musste Baruah natürliche Materialien finden, um das Holz über die Zeit hinweg robust und stabil zu halten.

Finanziert von KSU und einem Luftfiltrationshersteller Purafil, verwendete Baruah in der neuesten Studie Balsa-Holz und entfernte dessen Lignin und Hemicellulose. Die Entfernung erfolgte mittels Vakuumkammer und Chemikalien, darunter verdünnte Bleichmittel, Natriumhydroxid (eine Form von Lauge) und Natriumsulfit, ein Delignifizierungsmittel.

Um die Poren wieder zu füllen, wurde es in einer Mischung aus Eiweiß und Reiskonzentrat eingeweicht. Ein Härter namens Diethylentriamin wurde ebenfalls verwendet, um sicherzustellen, dass das Material durchsichtig bleibt.

Da diese Reagenzien hier in kleinen Mengen verwendet wurden, sagen die Forscher, stellen sie nur geringe Gefahr für die Umwelt dar. Einige Härter, insbesondere solche, die mit Epoxidharzen verwendet werden, können aufgrund ihrer Toxizität Umweltgefahren darstellen und bei unsachgemäßer Entsorgung Verschmutzungspotenzial haben. Am Ende blieben flexible und langlebige halbtransparente Holzscheiben übrig.

Der nächste Schritt war die Erkundung potenzieller Anwendungen für dieses konstruierte Holz. Einer der untersuchten Anwendungsfälle war der Ersatz von Glasfenstern.

Dazu renovierte Baruah zunächst ein Vogelhaus zu einem kleinen, isolierten Haus mit einem Fenster. Um seine Energieeffizienz zu testen, wurde das Vogelhaus unter einer Wärmelampe mit einem Temperaturmessgerät im Inneren platziert. 

Bei Verwendung des transparenten Holzes stellte das Team fest, dass die Temperatur im kleinen Haus um 5 bis 6 Grad Celsius (oder 9 bis 11 Grad Fahrenheit) niedriger war als bei Verwendung von Glas. Dies deutet darauf hin, dass das neue Material als energieeffiziente Alternative zu Glas in Fenstern nutzbar ist.

Das Team fügte dann in einigen Proben Silbernanodrähte hinzu, um das Potenzial von TW zu erweitern. Die Zugabe von Silbernanodrähten ermöglichte es dem Holz, das ein schlechter Stromleiter ist, Strom zu leiten. Diese Eigenschaft macht das modifizierte Holz nützlich für Beschichtungen von Solarzellen oder tragbaren Sensoren. 

Während Silbernanodrähte nicht von lebenden Organismen wie Bakterien abgebaut werden können, plant das Team weitere Experimente mit leitfähigen Materialien wie Graphen durchzuführen, um die vollständige Natürlichkeit ihrer transparenten Hölzer zu bewahren. 

Die Arbeit hier ist jedoch noch nicht abgeschlossen, da weitere Forschung erforderlich ist, um die Transparenz der Hölzer zu verbessern. Das Team ist jedoch begeistert von ihrer ersten Leistung, nämlich der Verwendung natürlicher und kostengünstiger Materialien. 

„Ich möchte meinen Studenten vermitteln, dass man interessante Forschung betreiben kann, ohne Tausende von Dollar auszugeben.“ 

– Baruah

Nippon Paper Industries Co., Ltd.

Ein führendes Unternehmen in der Entwicklung fortschrittlicher holzbasierten Materialien, Nippon Paper erforscht nachhaltige Alternativen zu herkömmlichen Kunststoffen. 

Eines seiner umweltfreundlichen Produkte ist Non‑Aluminum FUJIPAK, ein Getränkekarton, der bei Raumtemperatur über einen langen Zeitraum gelagert werden kann. Anstelle von Aluminium für die Barriere­schicht verwendet es erneuerbares Biomasse‑Material, wie Papierboard, das mit einer Barriere‑Folie beschichtet ist. Durch die gleiche Sammel‑ und Recycling‑Route wie Milchkartons wird die Recycling‑Quote voraussichtlich verbessert. Außerdem erleichtert das Weglassen von Aluminium die Verarbeitung von Polyethylen nach der Rückgewinnung von Zellstofffasern.

Das andere Produkt ist School POP®, ein strohfreier Karton, der Einweg‑Kunststoffe im Alltag reduziert. Laut Nippon kann das Produkt das Umweltbewusstsein bereits im frühen Alter fördern. Es wurde für Schulmilch entwickelt und trägt zur Vermeidung von Lebensmittelverlusten bei. 

SPOPS® ist ein weiteres Produkt von Nippon, das das „Nachfüllen“ von Shampoo durch „Austauschen“ ersetzt. Laut dem Unternehmen wird die Nachfüllzeit um bis zu 75 % reduziert, indem die Pumpe entfernt, die Kartusche ausgetauscht und die Pumpe wieder eingesetzt wird. 

Die Verwendung von Papier als Hauptmaterial reduziert gleichzeitig den Kunststoffverbrauch um 25 % bis 40 %, wodurch es sowohl „benutzerfreundlich“ als auch „umweltfreundlich“ ist. Trotz seiner Papiernatur bietet es hohe Funktionalität, da SPOPS® verschiedene Flüssigkeiten wie hochkonzentrierten Alkohol und Tenside handhaben kann.

Vor einigen Monaten hat Nippon bekannt gegeben die Expansion seines SPOPS‑Geschäfts in den südkoreanischen Markt in Partnerschaft mit der Lifestyle‑Marke NOTRAC Inc. unter der Marke „ECOJE“.

Dann gibt es umweltfreundliche Verpackungsmaterialien namens SHIELDPLUS®, die eine „papierbasierte, wasserbasierte Beschichtungstechnologie“ für ein 100 % holz­basiertes Material verwenden, Cellulose‑Nanofaser (CNF) namens Cellenpia®, die mit einer Technologie hergestellt wird, die Zellulosefasern zu extrem kleinen (nano) Größen abbaut, MinerPa® mit einzigartiger Pulpmaterial‑Formbarkeit und verschiedenen anorganischen Funktionen, wärme‑versiegelbares Papier Lamina®, das für Verpackungen ohne Laminierung verwendet werden kann, und sein multifunktionales Karton‑Grundpapier Waterproof Liner.

Nippon ist zudem ein Lignin‑Hersteller, der Produkte entwickelt, die seine hervorragenden Eigenschaften nutzen. Die Dispergier‑, Verklumpungs‑ und Chelat‑Eigenschaften von Lignin‑Produkten machen sie in industriellen Bereichen weit einsetzbar.

Neben diesen nachhaltigen Bemühungen stellt das in Japan ansässige Nippon Paper Industries Papierprodukte über verschiedene Segmente her und vertreibt sie, darunter Papier‑ und Zellstoff, papierbezogene Produkte, Holzprodukte, Bau‑bezogene Produkte und weitere.

Zum Zeitpunkt dieses Schreibens werden die Unternehmensanteile zu 7,96 $ gehandelt, mit einem KGV von 3,75 und einem Kurs‑zu‑Umsatz‑Verhältnis von 0,10. Es zahlt eine Dividendenrendite von 0,95 %.

Für das dritte Quartal des Geschäftsjahres 2025 hat Nippon gemeldet einen Anstieg des Nettoumsatzes um 1,3 % auf 886,3 Milliarden Yen (5,9 Milliarden $), trotz eines Rückgangs der Nachfrage nach Grafikpapier. Dies war auf das Wachstum des Verkaufs von Haushalts­papier, Gesundheits‑produkten und Chemikalien zurückzuführen. Der Betriebsgewinn stieg ebenfalls um 9,2 % im Jahresvergleich auf 11,1 Milliarden Yen (74,2 Millionen $) dank starker Leistungen im Energi­geschäft. 

Nippons inländisches Verkaufsvolumen von Papier‑ und Kartonprodukten sank aufgrund schwacher Nachfrage, ebenso wie die Gewinne, trotz stabiler Kraftstoffpreise wie Kohle. Dies war auf steigende Arbeits‑ und Logistikkosten zurückzuführen.

Das Unternehmen berichtete zudem, dass es die Wettbewerbsfähigkeit seiner Biomasse‑Produkte durch die Reduzierung von Treibhausgas‑Emissionen (THG) im Ishinomaki‑Werk stärkt. Die signifikante Reduktion war das Ergebnis der Stilllegung des Kohle‑Kessels und der Installation eines hocheffizienten Schwarz­lauge‑Rückgewinnungs‑Kessels.

Fazit

In der Welt der Energiespeicherung und Elektronik besteht ein Bedarf an preiswerten und nachhaltigen Materialien. Kunststoff, wie wir alle wissen, ist zwar aufgrund seines geringen Gewichts, seiner Formbarkeit und seiner guten Isoliereigenschaften sehr wertvoll, aber er ist nicht biologisch abbaubar und verursacht erhebliche Umwelt‑ und Gesundheitsprobleme.

Hier bietet Holz eine natürliche, preiswerte, nachhaltige und kohlenstoffbindende Lösung. Forscher haben es noch weiter verbessert, indem sie Modifikationen vorgenommen haben. Das daraus resultierende transparente Holz stellt einen großen Schritt in Richtung nachhaltiger Materialien für Elektronik und Energiespeicherung dar. Die jüngsten Forschungen gehen noch einen Schritt weiter, indem sie natürliche Materialien wie Eiweiß und Reiskonzentrat verwenden und eine hochmoderne Innovation demonstrieren, die den Alltag bereichern kann, ohne die Umwelt zu belasten. 

Während die Forschung zu transparentem Holz voranschreitet und reale Anwendungen findet, kann sie die Zukunft von Elektronik und Energiespeicherung neu definieren, indem sie High‑Tech mit Umweltverantwortung verbindet.

Studienreferenzen:

1. Montanari, C., Ogawa, Y., Olsén, P., & Berglund, L. A. (2021). Hochleistungs‑, vollständig biobasierte und optisch transparente Holz‑Biokomposite. Advanced Science. https://doi.org/10.1002/advs.202100559

2. Li, T., Zhai, Y., He, S., Gan, W., Wei, Z., Heidarinejad, M., Dalgo, D., Mi, R., Zhao, X., Song, J., Dai, J., Chen, C., Aili, A., Vellore, A., Martini, A., Yang, R., Srebric, J., Yin, X., & Hu, L. (2019). Ein strahlungsbasiertes kühlendes Strukturmaterial. Science, 364(6442), 760–763. https://doi.org/10.1126/science.aau9101

3. Rai, R., Ranjan, R., & Dhar, P. (2022, July 22). Lebenszyklus‑Analyse der Produktion von transparentem Holz unter Verwendung neuer Technologien und strategischem Skalierungsrahmen. Science of The Total Environment, 846, 157301. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2022.157301