Charakterisierung unbehandelter und modifizierter Holzfasern

Hauptanliegen des Projektes ist ein besseres Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehungen auf der Zell- und Zellwandebene des Holzes. Holz ist ein komplexes, anisotropes Material mit exzellenten mechanischen Eigenschaften bei Berücksichtigung seiner geringen Dichte. Das wichtigste Merkmal des Holzes ist seine Faserstruktur, welche auf dem Verbund der röhrenförmigen Zellen beruht. Die Holzzellwand setzt sich aus den drei Hauptkomponenten Zellulose, Hemizellulose und Lignin zusammen. Die elastomechanischen Eigenschaften der Zellwand werden durch die spezifische Zusammensetzung und die Interaktion der Holzpolymere determiniert. Auch wenn die Elastizität einzelner isolierter Zellwandpolymere bekannt ist und Modelle bezüglich ihrer strukturellen Anordnung bestehen, so sind die mechanischen Interaktionen der Zellwandkomponenten bis jetzt nur wenig erforscht. Der grundlegende Gedanke des Projekts basiert auf dem methodischen Ansatz, einzelne Zellwandpolymere in ihrer mechanischen Funktion auszuschalten, um anschließend durch mikromechansiche Prüfung des modifizierten Materials auf die mechanische Bedeutung der eliminierten Komponente zu schließen. Im Projekt sollen zwei grundlegende mikrotechnologische Verfahren kombiniert werden. Zum einen die kürzlich entwickelte Methode zur mechanischen Isolierung von einzelnen Holzfasern und zum anderen die spezifische Modifikation der Zellwand durch Enzyme. Im Gegensatz zu üblichen chemischen Isolierungen von Fasern werden bei der mechanischen Isolierung Fasern erhalten, die keinerlei Veränderung der Zellwandpolymere erfahren haben. Diese Fasern stellen somit ein "perfektes Rohmaterial" für weitere Modifikationsschritte dar. Zu diesem Zweck wird ein präzises Werkzeug auf der molekularen Ebene benötigt, um die heterogene und hochentwickelte Struktur der Holzzellwand gezielt zu verändern. Mit Hilfe von Enzymen sind derartige Modifikationen möglich, auch deshalb, weil Einzelfasern deutlich effizienter von Enzymen angegriffen werden können als Vollholz. Die mikromechanische, ultrastrukturelle und chemische Charakterisierung von unbehandelten und enzymatisch modifizierten Einzelfasern durch mikromechanische Prüfungen, Röntgen-Kleinwinkel-Streuung, FT-IR Spektroskopie, NIR-Mikroskopie und Dynamischer mechanischer Analyse (DMA) wird zu neuen Erkenntnissen zur Struktur-Funktions-Beziehung auf der Zellwandebene führen und die mechanische Bedeutung der einzelnen Holzpolymere besser verständlich machen. Das Projekt stellt damit einen grundlegenden Arbeitsansatz bezüglich unseres übergeordneten Interesses dar, von der optimierten Holzstruktur zu lernen und neue "intelligente Biowerkstoffe" abzuleiten.

Hauptanliegen des Projektes ist ein besseres Verständnis der Struktur-Funktions-Beziehungen auf der Zell- und Zellwandebene des Holzes. Holz ist ein komplexes, anisotropes Material mit exzellenten mechanischen Eigenschaften bei Berücksichtigung seiner geringen Dichte. Das wichtigste Merkmal des Holzes ist seine Faserstruktur, welche auf dem Verbund der röhrenförmigen Zellen beruht. Die Holzzellwand setzt sich aus den drei Hauptkomponenten Zellulose, Hemizellulose und Lignin zusammen. Die elastomechanischen Eigenschaften der Zellwand werden durch die spezifische Zusammensetzung und die Interaktion der Holzpolymere determiniert. Auch wenn die Elastizität einzelner isolierter Zellwandpolymere bekannt ist und Modelle bezüglich ihrer strukturellen Anordnung bestehen, so sind die mechanischen Interaktionen der Zellwandkomponenten bis jetzt nur wenig erforscht. Der grundlegende Gedanke des Projekts basiert auf dem methodischen Ansatz, einzelne Zellwandpolymere in ihrer mechanischen Funktion auszuschalten, um anschließend durch mikromechansiche Prüfung des modifizierten Materials auf die mechanische Bedeutung der eliminierten Komponente zu schließen. Im Projekt sollen zwei grundlegende mikrotechnologische Verfahren kombiniert werden. Zum einen die kürzlich entwickelte Methode zur mechanischen Isolierung von einzelnen Holzfasern und zum anderen die spezifische Modifikation der Zellwand durch Enzyme. Im Gegensatz zu üblichen chemischen Isolierungen von Fasern werden bei der mechanischen Isolierung Fasern erhalten, die keinerlei Veränderung der Zellwandpolymere erfahren haben. Diese Fasern stellen somit ein "perfektes Rohmaterial" für weitere Modifikationsschritte dar. Zu diesem Zweck wird ein präzises Werkzeug auf der molekularen Ebene benötigt, um die heterogene und hochentwickelte Struktur der Holzzellwand gezielt zu verändern. Mit Hilfe von Enzymen sind derartige Modifikationen möglich, auch deshalb, weil Einzelfasern deutlich effizienter von Enzymen angegriffen werden können als Vollholz. Die mikromechanische, ultrastrukturelle und chemische Charakterisierung von unbehandelten und enzymatisch modifizierten Einzelfasern durch mikromechanische Prüfungen, Röntgen-Kleinwinkel-Streuung, FT-IR Spektroskopie, NIR-Mikroskopie und Dynamischer mechanischer Analyse (DMA) wird zu neuen Erkenntnissen zur Struktur-Funktions-Beziehung auf der Zellwandebene führen und die mechanische Bedeutung der einzelnen Holzpolymere besser verständlich machen. Das Projekt stellt damit einen grundlegenden Arbeitsansatz bezüglich unseres übergeordneten Interesses dar, von der optimierten Holzstruktur zu lernen und neue "intelligente Biowerkstoffe" abzuleiten.