Mineralinfundierte Verbundstoffe verbessern Holz von innen

Die Welt wird zunehmend umwelt- und nachhaltigkeitsbewusster, was zur Entwicklung und Nutzung von biobasierten Verbundmaterialien führt.

Diese Materialien werden als Ersatz für traditionelle nicht erneuerbare synthetische Fasern wie Glas‑ und kohlenstoffverstärkte Verbundstoffe sowie für Materialien wie Stahl und Beton angesehen.

Der Markt für Biokomposite ist im letzten Jahrzehnt gewachsen und ist von 4,46 Milliarden $ im Jahr 2016 auf weit über 10 Milliarden $ bis 2024 gestiegen. Es wird prognostiziert, bis 2034 etwa 215,62 Milliarden $ zu erreichen, da technologische Fortschritte die Marktexpansion beschleunigen, die Nachfrage nach leichten und hochfesten Materialien steigt und Regierungen weltweit die Entwicklung fortschrittlicher Biokomposite aktiv unterstützen.

Schließlich bieten Biokomposite viele Vorteile gegenüber ihren konventionellen Gegenstücken, darunter CO₂‑Neutralität, hohe Gesundheitssicherheit, Korrosionsbeständigkeit, Wärmedämmung, Leichtgewicht, geringe Dichte und geringeren Energieaufwand bei der Produktion.

Das bedeutet jedoch nicht, dass Biokompositmaterialien keine Herausforderungen haben. Sie weisen tatsächlich zahlreiche Nachteile auf, wie Extraktion, Verarbeitung, Herstellung, geringe thermische Stabilität, schlechte elektrische Eigenschaften, Entflammbarkeit, Oberflächenmodifikation und mehr.

Die Bewältigung dieser Herausforderungen und die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften biobasierter Verbundstoffe erfordern das Studium ihrer multiskaligen Mechanik aufgrund ihrer komplexen hierarchischen Struktur.

Im Gegensatz zu konventionellen Verbundstoffen werden die Eigenschaften biobasierter Verbundstoffe durch die Anordnung der Komponenten auf mehreren Skalen beeinflusst, nicht nur auf makroskopischer Ebene.

Zum Beispiel werden die mechanischen Eigenschaften von Holz durch die Anordnung von Cellulose, Lignin und anderen Komponenten auf unterschiedlichen Skalen innerhalb der Zellwände und zwischen den Zellen beeinflusst.

Hier analysiert die multiskalige Mechanik das Verhalten des Materials auf verschiedenen Ebenen. Dazu gehört die Nanoskala, die sich mit den Wechselwirkungen zwischen einzelnen Molekülen und Nanopartikeln befasst. Auf der Mikroskala wird die Anordnung von Fasern, Zellen oder anderen Mikrokomponenten untersucht, während die Mesoskala das Studium beinhaltet, wie die Anordnung dieser Komponenten die Gesamteigenschaften des Materials beeinflusst. Auf der makroskopischen Skala wird das Gesamtverhalten des Verbundstoffs, wie seine Steifigkeit, analysiert.

Executive Research arbeitet weiterhin daran, die multiskalige Mechanik biobasierter Verbundstoffe zu untersuchen und zu verstehen, was einzigartige Einblicke in die zugrunde liegenden Struktur‑Eigenschafts‑Beziehungen liefert.

Dies hilft, die Herausforderungen hinsichtlich Festigkeit, Haltbarkeit, Zuverlässigkeit und nachhaltiger Produktion zu bewältigen. Auf diese Weise erhalten wir nächste‑Generation‑Materialien, die leicht und robust sind und über Funktionen verfügen, die ihnen ermöglichen, sich anzupassen und sich selbst zu regenerieren.

Spitzenansätze zur Holzverbesserung

Bei biobasierten Verbundstoffen haben zellulosehaltige Materialien wie Holz aufgrund ihrer natürlich komplexen inneren Architektur erhebliches Interesse geweckt. Ganz zu schweigen davon, dass jährlich weltweit etwa 181,5 Milliarden Tonnen Holz produziert werden, was eine der größten erneuerbaren Materialquellen darstellt. 

Da mineralische Ressourcen wie Kohle, Öl und Erdgas in ständig steigenden Mengen abgebaut werden, was die Biosphäre bedroht, hat die Untersuchung von Holz‑Nano‑ und Mikrostrukturen im letzten Jahrzehnt besonders zugenommen.

Wie Forscher der Kyoto University kürzlich feststellten:

„Wenn wir das sehen können, was das Auge nicht erkennt, können wir die Lebensdauer von Holzstrukturen verlängern und die Nachhaltigkeit in der Bauindustrie verbessern.“

So entwickelte dieses Team eine effektive Methode¹, um den fast unsichtbaren Verfall von Holz zu diagnostizieren, bevor der Schaden irreparabel wird. Dafür kombinierten sie Mittel‑Infrarotspektroskopie mit maschinellem Lernen, um künstlich verwitterte Holzbeschichtungen und Beschichtungen mit Zellulose‑Nanofasern zu testen und deren Haltbarkeit zu verbessern.

Hier wurde die Methode der partiellen kleinsten Quadrate verwendet, um ein Modell zur Vorhersage des Ausmaßes des Verfalls zu erstellen, zusammen mit einem genetischen Algorithmus, um die informativsten Infrarotsignale zu identifizieren.

„Wir waren überrascht festzustellen, dass sehr subtile chemische Veränderungen – viel zu klein, um sie visuell zu erkennen – durch Infrarotspektroskopie erfasst und vom Modell vorhergesagt werden konnten.“

– Korrespondenzautor Yoshikuni Teramoto

Unterdessen verfolgte ein Forscherteam der University of Maryland den Ansatz, Pappeln genetisch zu modifizieren, anstatt Chemikalien zu verwenden, um hochleistungsfähiges, strukturelles Holz zu erzeugen. Durch Base‑Editing eliminierten sie ein Schlüsselenzym namens 4CL1, was zu Pappeln mit einem um 12,8 % geringeren Ligningehalt als Wildtyp‑Pappelbäumen führte.

In einer weiteren spannenden Studie nutzten Materialwissenschaftler der Rice University und des Oak Ridge National Laboratory Holzabfälle, um eine Tinte zu erzeugen, die zum 3D‑Drucken holzähnlicher Objekte verwendet werden kann.

Diese Forschung nutzte verworfenes Material aus der Holzbearbeitung, das zunächst zu feinem Staub zerkleinert und dann mit Chemikalien gemischt wurde, um Lignin und Cellulose zu trennen. Diese beiden Bestandteile wurden anschließend weiter zu Nanofasern und Nanokristallen zerlegt, bevor sie wieder zusammengeführt und zu Wasser hinzugefügt wurden, um eine tonähnliche Mischung zu erzeugen.

Die resultierende Mischung wurde als Tinte in einem 3D‑Drucker verwendet und damit mehrere Miniaturtische und -stühle hergestellt. Durch ein Gefriertrocknungsverfahren wurde die Feuchtigkeit aus den Produkten entfernt, die anschließend bei 180 °C gebacken wurden, um die beiden Polymere zu verschmelzen, was zu einem holzähnlichen Objekt führte.

Das fertige Objekt erwies sich bei Tests als sechs‑mal so langlebig und drei‑mal so flexibel wie aus originalem Holz hergestellte Objekte. Es roch sogar nach natürlichem Holz. Durch die Manipulation des Druckprozesses konnte das Team zudem holzähnliche Texturen in ihre Produkte integrieren.

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Verstärkung von Holz mit Nano‑Eisen

Neben all diesen High‑Tech‑Ansätzen wurde ein weiteres vielversprechendes Verfahren, das kostengünstig und skalierbar ist, untersucht, um Holz zu verstärken.

In dieser neuen Studie arbeiteten Forscher des College of Engineering and Computer Science der Florida Atlantic University zusammen mit denen der University of Miami und des Oak Ridge National Laboratory und modifizierten Eichenholz mit nanokristallinem Ferrihydrit.

Ferrihydrit (Fh) ist ein weit verbreitetes wasserhaltiges eisenhaltiges Oxihydroxid‑Mineral an der Erdoberfläche und dient als Vorläufer für die meisten Eisenoxide im Boden. Es ist ein schlecht kristallines eisenhaltiges Oxihydroxid‑Nanomineral, das für seine kleine Teilchengröße und große reaktive Oberfläche bekannt ist.

Die Idee dahinter war herauszufinden, ob die Einbringung harter Mineralien in die Zellwände des Holzes auf Nanoskala sie stärker macht, ohne das Material teuer, schwer oder umweltunverträglich zu machen.

Während Studien untersucht haben, wie behandeltes Holz auf verschiedenen Skalen performt, gibt es nur wenige, und keine, die tatsächlich ganze Holzstücke durch das Hinzufügen anorganischer Mineralien direkt in ihre Zellwände verstärkt haben. Laut der leitenden Autorin der Studie, Vivian Merk, Ph.D., Assistenzprofessorin an der FAU:

„Holz, wie viele natürliche Materialien, besitzt eine komplexe Struktur mit unterschiedlichen Schichten und Merkmalen auf verschiedenen Skalen. Um wirklich zu verstehen, wie Holz Lasten trägt und schließlich versagt, ist es unerlässlich, es über diese verschiedenen Ebenen hinweg zu untersuchen.“

Daher untersuchten die Forscher dies weiter und konzentrierten sich auf ringporöses Holz. Diese Art von Hartholz stammt von Laubbäumen wie Eiche, Walnuss, Kirsche und Ahorn, deren Holz große, ringförmige Gefäße aufweist, die Wasser von den Wurzeln zu den Blättern transportieren.

Die Forscher verwendeten für ihre Studie Rot‑Eiche, die in Nordamerika heimisch ist und für die Papierherstellung sowie verschiedene Bauzwecke genutzt wird.

Durch eine einfache chemische Reaktion führten sie eine Eisenverbindung in das Holz ein. Hier wurde Eisen(III)-nitrat mit Kaliumhydroxid gemischt, um Ferrihydrit zu erzeugen.

Das Team untersuchte anschließend die mechanischen Eigenschaften des Verbundstoffs auf verschiedenen Organisationsstufen. Es zeigte, dass eine kostengünstige chemische Methode mit nanokristallinem Eisen‑Oxihydroxid die winzigen Zellwände des Holzes verstärken kann, wobei nur ein geringes zusätzliches Gewicht hinzukommt.

Während die Ablagerung von Ferrihydrit‑Nanopartikeln innerhalb der Holzzellwand zu einer erhöhten Steifigkeit und Härte der funktionalisierten sekundären Zellwand führte, blieb das Gesamtverhalten des Holzes unverändert.

Daher beeinflusste die Erhöhung der Haltbarkeit der internen Struktur nicht, wie das Holz biegt oder bricht. Dies könnte darauf zurückzuführen sein, dass die Behandlung die Verbindungen zwischen den einzelnen Holzzellen schwächte, was die Bindung des Materials auf größerer Skala beeinflusste.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass es möglich ist, die Festigkeit von Holz und anderen pflanzlichen Materialien mit der richtigen chemischen Behandlung zu erhöhen, ohne das Gewicht zu steigern oder die Umwelt zu schädigen. Dies unterstreicht das Potenzial von Biomaterialien, in Zukunft anstelle von Beton und Stahl eingesetzt zu werden.

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Multiskalige Analyse des biobasierten Verbundmaterials

Da zelluläre Materialien wie Holz hochgradig organisierte, hierarchische Anordnungen tragender Strukturelemente sind, die auf mechanische Reize auf mikroskopischer, mesoskopischer und makroskopischer Skala reagieren, untersuchte das Team die Mechanik biobasierter Verbundstoffe mit verschiedenen Methoden im Detail. Merk bemerkte:

„Um unsere Hypothese zu testen – dass das Hinzufügen winziger Mineralkristalle zu den Zellwänden sie stärkt – setzten wir verschiedene Arten mechanischer Tests sowohl auf Nanoskala als auch auf makroskopischer Skala ein.“

Zu den vom Forschungsteam eingesetzten Werkzeugen gehört die Rasterkraftmikroskopie (AFM), eine leistungsstarke Technik, die die Abbildung nahezu jeder Oberflächenart ermöglicht, einschließlich Keramik, Verbundstoffe, Polymere, Glas und biologische Proben.

Mit Hilfe von AFM analysierte das Team das Holz auf einer sehr kleinen Skala, wodurch sie Eigenschaften wie Elastizität und Steifigkeit messen konnten.

Insbesondere wurde die AM‑FM‑Technik (Amplitude Modulation – Frequency Modulation) eingesetzt. Diese Methode lässt die AFM‑Spitze bei zwei verschiedenen Frequenzen vibrieren, wobei eine detaillierte Oberflächenbilder erzeugt und die andere die Elastizität und Klebrigkeit des Materials misst. Die Technik lieferte ihnen einen präzisen Einblick, wie sich die Zellwände nach der Mineralbehandlung veränderten.

Das Team führte zudem Nanoindentationstests in einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) durch, das Probenbilder erzeugt, indem es die Oberfläche mit einem fokussierten Elektronenstrahl scannt, der mit Atomen interagiert und verschiedene Signale erzeugt, die Informationen über die Oberflächentopografie und die Probenzusammensetzung enthalten.

Hier drückten die Forscher winzige Sonden in das Holz, um die Reaktionskraft in verschiedenen Bereichen zu berechnen.

Abschließend führten sie Standard‑Mechanik‑Tests wie das Biegen von behandelten und unbehandelten Holzproben durch, um deren Festigkeit und das Versagen unter Belastung zu untersuchen.

„Indem wir Holz auf verschiedenen Ebenen betrachteten – von den mikroskopischen Strukturen innerhalb der Zellwände bis hin zum gesamten Holzstück – konnten wir mehr darüber erfahren, wie man natürliche Materialien chemisch für den praktischen Einsatz verbessern kann.“

– Merk

Die Kombination aus Klein‑ und Großskalentests half ihnen tatsächlich zu verstehen, wie die Behandlung sowohl die feinen Details innerhalb der Zellwände als auch die Gesamtfestigkeit des Holzes beeinflusste.

„Diese Forschung stellt einen bedeutenden Fortschritt in der nachhaltigen Materialwissenschaft dar und einen bedeutenden Schritt in Richtung umweltfreundlicher Bauweise und Gestaltung.“

– Stella Batalama, Ph.D., Dekanin des College of Engineering and Computer Science

Sie bemerkte weiter, dass durch den Einsatz kostengünstiger und umweltfreundlicher Methoden zur Verstärkung natürlichen Holzes diese Studie die Grundlage für die nächste Generation biobasierter Materialien legt, die das Potenzial haben, traditionelle Materialien in strukturellen Anwendungen wie Brücken, Gebäuden, Fußböden und Möbeln zu ersetzen. Sie fügte hinzu:

„Die Auswirkungen dieser Arbeit reichen weit über das Ingenieurwesen hinaus – sie tragen zu globalen Bemühungen bei, CO₂‑Emissionen zu reduzieren, Abfall zu verringern und nachhaltige, von der Natur inspirierte Lösungen für alles von Gebäuden bis hin zu groß angelegten Infrastrukturen zu übernehmen.“

Innovative Unternehmen

1. Weyerhaeuser Company 

Betrachtet man die führenden Innovatoren in diesem Bereich, ist die Weyerhaeuser Company (WY ) ein großer Eigentümer von Waldflächen und Hersteller von Holzprodukten. Sie besitzt oder kontrolliert etwa 10,4 Millionen Acres Waldfläche in den USA und verwaltet zusätzliche Waldflächen in Kanada. 

Das Unternehmen verwaltet seine Waldflächen vollständig nachhaltig und ist an der Entwicklung biobasierter Materialien interessiert. Mit einer Marktkapitalisierung von 18,79 Milliarden $, handeln die Weyerhaeuser‑Aktien derzeit bei 25,80 $, ein Rückgang von 7,96 % im Jahresverlauf. Es hat ein EPS (TTM) von 0,50, ein KGV (TTM) von 51,70 und eine Eigenkapitalrendite (ROE) (TTM) von 3,71 % bei einer Dividendenrendite von 3,24 %.

Bezüglich der Finanzen meldete Weyerhaeuser im Jahr 2024 einen Nettogewinn von 396 Millionen $, bzw. 54 Cent pro verwässerter Aktie. Der Nettoumsatz für das Gesamtjahr betrug 7,1 Milliarden $, ein Rückgang von 0,6 Milliarden $ gegenüber 2023. Starke Ergebnisse wurden vom Geschäftsbereich Natural Climate Solutions erzielt, der ein Betriebsergebnis von 55 Millionen $ erwirtschaftete. Bemerkenswerterweise bleibt das Unternehmen auf Kurs, bis Ende 2025 ein Adjusted EBITDA von 100 Millionen $ zu erreichen.

„Unsere Leistung im Jahr 2024 spiegelt eine solide Umsetzung angesichts eines herausfordernden Marktumfelds wider.“

– CEO Devin W. Stockfish

In diesem Zeitraum wurden den Aktionären insgesamt 735 Millionen $ an Bargeld zurückgezahlt, einschließlich 153 Millionen $ für Aktienrückkäufe. Vor einigen Monaten kündigte Weyerhaeuser zudem eine Erhöhung seiner Grunddividende um 5 % an. Damit war es das vierte aufeinanderfolgende Jahr, in dem das Unternehmen seine vierteljährliche Grunddividende erhöhte.

Weitere Entwicklungen: Weyerhaeuser erhielt die Genehmigung für sein zweites Wald‑Kohlenstoffprojekt, kündigte eine strategische Investition zum Bau einer neuen Einrichtung für ingenieurtechnische Holzprodukte in Arkansas an und erweiterte sein Portfolio Southern Timberlands durch strategische Transaktionen in Alabama.

„Im Jahr 2025 ist unsere Bilanz stark, und wir sind gut positioniert, um von verbesserten Marktbedingungen zu profitieren. Wir bleiben fokussiert darauf, unsere mehrjährigen Ziele zu erreichen, unseren Kunden zu dienen und langfristigen Wert für unsere Aktionäre zu schaffen.“

– Stockfish

Die Ergebnisse des ersten Quartals 2025 zeigen dies tatsächlich, mit einem Nettogewinn von 83 Millionen $, bzw. 0,11 $ pro verwässerter Aktie, bei einem Nettoumsatz von 1,8 Milliarden $.

In diesem Zeitraum verzeichnete das Timberland‑Segment moderat höhere Erntegebühren und inländische Verkaufsvolumina im Westen, während die Exportverkaufsvolumina, insbesondere nach China, leicht zurückgingen. Im Segment Immobilien, Energie und natürliche Ressourcen sank die verkaufte Fläche, jedoch war der durchschnittliche Preis pro Acre deutlich höher. Die Erlöse aus dem Verkauf von Schnittholz stiegen, während die Kosten für Baumstämme moderat höher waren. Die Verkaufsvolumina für ingenieurtechnische Holzprodukte waren hingegen niedriger, und die Stückkosten in der Fertigung stiegen.

2. 3M Company

Ein weiterer prominenter Name in diesem Bereich ist die 3M Company (MMM ), die in Forschung und Entwicklung fortschrittlicher Materialien, einschließlich Nanokomposite und biobasierter Systeme, tätig ist.

Dieses diversifizierte Technologieunternehmen hat eine Marktkapitalisierung von 74,75 Milliarden $, wobei die Aktien bei 138,91 $ gehandelt werden, ein Anstieg von 7,61 % im Jahresverlauf. Es weist ein EPS (TTM) von 8,02, ein KGV (TTM) von 17,31 und eine Eigenkapitalrendite (ROE) (TTM) von 94,75 % bei einer Dividendenrendite von 2,10 % auf.

Die Aktien von 3M stiegen, nachdem das Unternehmen seine Jahresfinanzprognose trotz Zöllen und des Handelskriegs, die neue Risiken darstellen, beibehalten hatte. Das Unternehmen profitiert tatsächlich von einem Lagerbestand von 90 Tagen. Es erkannte jedoch die Risiken an und skizzierte Strategien zur Bewältigung des turbulenten Geschäftsumfelds, einschließlich der Optimierung seines Netzwerks, der Verlagerung der Produktion in verschiedene Länder und möglicherweise der Erhebung von Zuschlägen für bestimmte Kunden.

Erst diesen Monat sagte CEO Bill Brown, dass sie „eine sehr, sehr große Präsenz in den USA“ haben und „sehr sorgfältig“ prüfen, mehr Fertigung hierher zu verlagern.

Ein Portfolio von Tausenden von Verbraucher‑ und Industrieprodukten macht 3M anfällig für einen breiten Teil der Wirtschaft. Infolgedessen fielen die Umsätze im 1. Quartal 2025 um 1 % auf 6 Milliarden $, während das bereinigte Ergebnis je Aktie aus fortgeführten Geschäften 1,88 $ betrug, beides über den Schätzungen.

Dies folgt auf ein zweistelliges Gewinnwachstum im Jahr 2024, während dessen 3,8 Milliarden $ an die Aktionäre zurückgeführt wurden. Für das gesamte Jahr stieg das bereinigte EPS um 21 % gegenüber dem Vorjahr auf 7,30 $, der Umsatz sank um 0,1 % auf 24,6 Milliarden $, und der operative Cashflow betrug 1,8 Milliarden $.

Fazit

Ein wichtiger natürlicher Rohstoff, Holz, wird wegen seiner Festigkeit, Haltbarkeit, Nachhaltigkeit und Erschwinglichkeit geschätzt. Es spielt auch eine zentrale Rolle in biobasierten Verbundstoffen und dient als erneuerbares und nachhaltiges Material, das das Potenzial hat, konventionelle Verbundstoffe in verschiedenen Anwendungen zu ersetzen.

Hier ist die komplexe Pflanzenbiomasse, Lignozellulose, wichtig, da sie die starre Struktur der Pflanzenzellwände bildet und es ermöglicht, Holz in Verbundmaterialien zu integrieren. Dieser entscheidende Holzbestandteil kann auch chemisch modifiziert werden, um fortschrittliche Materialien zu schaffen.

Die neuesten Forschungen haben es genutzt, um die Eigenschaften von Holz zu verbessern, wobei die Rolle der hierarchischen Strukturierung für die mechanische Leistung von Holz hervorgehoben wird. Es zeigt, wie die Verstärkung mit Nanopartikeln auf Zellwandebene die Steifigkeit erhöhen kann, wie durch Nanoindentation und Rasterkraftmikroskopie bestätigt, ohne die mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Diese natürliche Holzverstärkung demonstriert das Potenzial fortschrittlicher biobasierter Materialien, die zu nachhaltiger Infrastruktur und einer besseren Zukunft führen können.

Studien Referenziert:

1. Soini, S. A., Lalani, I., Maron, M. L., Gonzalez, D., Mahfuz, H., Domingo‑Marimon, N., & Merk, V. (2025). Multiskalige mechanische Charakterisierung mineralverstärkter Holzzellwände. ACS Applied Materials & Interfaces, 2025. https://doi.org/10.1021/acsami.4c22384