Luftnummer

31.01.2012: Zart und durchscheinend wie ein Lufthauch, dabei aber doch mechanisch fest, flexibel und mit erstaunlichen Wärmeisolierungseigenschaften ausgestattet – dies sind die Charakteristika eines so genannten Aerogels aus Cellulose und Silicagel. Wissenschaftler um Jie Cai stellen das neuartige Material, das fast nur aus Luft besteht, nun in der Zeitschrift Angewandte Chemie vor.

Gele kennt man etwa als Götterspeise oder Haargel. Ein Gel ist ein weitmaschiges molekulares Netzwerk, in dessen Maschen eine Flüssigkeit eingelagert ist. Anders als bei einem Schwamm lässt sich die Flüssigkeit nicht herausdrücken. Ein Aerogel ist ein Gel, in das keine Flüssigkeit, sondern Luft eingeschlossen ist. Aerogele können beispielsweise aus Siliciumdioxid aufgebaut sein und bis zu 99,98 % aus luftgefüllten Poren bestehen. Ein solches Material ist fast so leicht wie Luft und wirkt durchscheinend wie fest gewordener Rauch. Zudem ist es nicht brennbar und ein extrem guter Wärmeisolator – und das auch bei hohen Temperaturen. Prominente Anwendung für Aerogele war die Isolierung von Spaceshuttles. Wegen ihrer extrem hohen inneren Oberfläche sind Aerogele auch als Träger für Katalysatoren oder Pharmaka interessant. Silikatische Aerogele sind dabei ungiftig und umweltfreundlich.

Allerdings gibt es ein Problem, das die breite Anwendung dieser luftigen Werkstoffe bisher limitiert: silikatbasierte Aerogele sind sehr fragil oder zumindest extrem spröde, sodass sie eine Verstärkung benötigen. Neben einer Kunststoffverstärkung kommen dafür biokompatible Materialien wie Cellulose in Frage.

Das Team von der Wuhan University und der University of Tokyo hat nun spezielle Kompositaerogele aus Cellulose und Siliciumdioxid entwickelt. Zunächst stellen die Forscher dazu aus einer alkalischen Harnstofflösung ein Cellulosegel her. Die Cellulose wird dabei aufgelöst und geliert dann zu einem Gel aus Nanofibrillen. Das Cellulosegel dient anschließend als Gerüst für das Silicagel, das in einem gängigen Sol-Gel-Prozess hergestellt wird. Eine gelöste silikatorganische Vorstufe wird dabei vernetzt, geliert und wächst auf die Cellulosenanofasern auf. Das erhaltene flüssigkeitsgefüllte Verbundgel wird anschließend mit überkritischem Kohlendioxid zu einem Aerogel getrocknet.

Das neuartige Verbund-Aerogel zeigt eine interessante Kombination vorteilhafter Eigenschaften: mechanische Festigkeit, Flexibilität, sehr niedrige thermische Leitfähigkeit, Semitransparenz und Biokompatibilität. Durch Brennen kann, wenn gewünscht, zudem der Cellulose-Teil entfernt werden, übrig bleibt ein Siliciumdioxid-Aerogel. "Unsere neue Methode kann Ausgangspunkt für die Synthese vieler neuer poröser Materialien mit überlegenen Eigenschaften sein", zeigen sich die Forscher optimistisch: "Sie ist einfach und die Eigenschaften der entstehenden Aerogele können breit variiert werden".

Originalveröffentlichung:
Jie Cai et al.; Cellulose–Silica Nanocomposite Aerogels by In Situ Formation of Silica in Cellulose Gel; Angewandte Chemie