Ersatz für nicht erneuerbare Ressourcen
Eine internationale Forschergruppe unter der Leitung von Jaana Vapaavuori von der Aalto-Universität in Finnland hat einen umfassenden Überblick über die Möglichkeiten von pflanzlicher Biomasse, oder Lignozellulose, für optische Anwendungen erstellt, die weniger umweltfreundliche, aber häufig verwendete Materialien wie Sand und Kunststoffe ersetzen. Wie in der Zeitschrift Advanced Materials [Kaschuk et al. Adv. Mater. (2021) DOI: 10.1002/adma.202104473] berichtet wird, hat die Gruppe gezeigt, wie man Solarzellen und Glas aus Bioabfall als praktikablen Ersatz für nicht erneuerbare Ressourcen herstellen kann.
Das Team fasste zusammen, was für die Herstellung und Anwendung von optischen Funktionsmaterialien auf Pflanzenbasis in neuen intelligenten Materialanwendungen erforderlich ist. Vapaavuori sagte: "Wir wollten so umfassend wie möglich darstellen, wie Lignozellulose die nicht erneuerbaren Ressourcen ersetzen kann, die in weit verbreiteten Technologien wie intelligenten Geräten oder Solarzellen verwendet werden".
Lignozellulose, die sich aus Kohlenhydratpolymeren wie Zellulose und Hemizellulose und dem aromatischen Polymer Lignin zusammensetzt, ist in fast jeder Pflanze vorhanden. Wenn diese Biomasse in extrem kleine Teile zerlegt und dann wieder zusammengesetzt wird, können daraus völlig neue Bioverbundwerkstoffe wie Spanplatten und Holz-Kunststoff-Verbundwerkstoffe für den Bau entwickelt werden.
Aufgrund seiner Eigenschaften wie Transparenz, Reflexionsvermögen, UV-Filterung und strukturelle Farben kann das Material jedoch auch in optischen Anwendungen eingesetzt werden, wie in dieser Studie untersucht. Die Nutzung von Kombinationen seiner Eigenschaften könnte zur Entwicklung von lichtreaktiven Oberflächen für Fenster oder von Materialien führen, die auf Chemikalien oder Wasserdampf reagieren, und vielleicht sogar zu UV-Schutzvorrichtungen, die die Strahlung absorbieren können und so einen Sonnenschutz für Oberflächen bieten.
Dies wird durch die Möglichkeit unterstützt, Funktionalitäten hinzuzufügen und Lignozellulose individuell zu gestalten, z. B. als Ersatz für Glas in Solarzellen, um deren Effizienz und Lichtabsorption zu verbessern. Die Strategien zur Isolierung der wichtigsten Bausteine des Materials werden in der Übersicht untersucht, ebenso wie die Auswirkungen von Fibrillierung, Fibrillenausrichtung, Verdichtung, Selbstmontage, Oberflächenstrukturierung und Kompositierung im Hinblick auf ihre Rolle bei der Entwicklung der optischen Leistung.
Außerdem wird das Ausmaß der ungenutzten Lignozellulose hervorgehoben, die jedes Jahr von der Industrie und der Landwirtschaft produziert wird und auf über eine Milliarde Tonnen Biomasseabfälle geschätzt wird. In der Studie wird darauf hingewiesen, dass für die kommerzielle Nutzung dieser Lignozellulose neue Verwendungszwecke für biobasierte Abfälle erforderlich sind, und zwar sowohl durch Forschung als auch durch staatliche Vorschriften, um die Nachfrage nach erneuerbaren Alternativen für optische Anwendungen zu steigern. Obwohl eine solche Ausweitung als zu kostspielig angesehen wurde, wird sie mit der Senkung des Energieverbrauchs und der Produktionskosten immer realistischer. Eine andere Herausforderung, nämlich der Wasserverbrauch bei der Verarbeitung, bleibt jedoch problematisch.
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