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RICHLAND, Washington – Kalifornien hat Silicon Valley. Könnte ein Silicon Forest in Washington der nächste sein? Ein Team von Materialwissenschaftlern des Pacific Northwest National Laboratory arbeitet daran.
Yongsoon Shin und seine Kollegen vom Labor des Energieministeriums haben Holz in Mineralien umgewandelt und damit in wenigen Tagen das erreicht, wofür die Natur Millionen von Jahren braucht, z. B. im Gingko Petrified Forest, eine Stunde flussaufwärts am Columbia River. Dort wurden die Bäume wahrscheinlich bei einem katastrophalen Vulkanausbruch gefällt und ohne Sauerstoff unter Lava begraben, wo sie ihre Holzbestandteile auslaugten und im Laufe der Äonen die Mineralien des Bodens aufsaugten.
Shins Reise zu versteinertem Holz begann auf weniger dramatische Weise, ein paar Minuten entfernt bei Lowe’s, berichtet Shins Gruppe in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift Advanced Materials, im Holzlager der Baumarktkette. Dort holten sie ihr Rohmaterial ab: Kiefern- und Pappelplatten. Zurück im PNNL haben sie einen 1-Zentimeter-Würfel Holz zwei Tage lang in Säure gebadet, ihn dann zwei weitere Tage in einer Siliziumdioxidlösung getränkt (um beste Ergebnisse zu erzielen, sollten sie diesen Schritt bis zu dreimal wiederholen), ihn an der Luft getrocknet und dann in einem mit Argon gefüllten Ofen, der allmählich auf 1.400 Grad Celsius hochgefahren wurde, zwei Stunden lang gekocht und dann unter Argon auf Raumtemperatur abkühlen lassen.
Presto. Sofort versteinertes Holz, wobei sich das Siliziumdioxid dauerhaft mit dem in der Zellulose verbliebenen Kohlenstoff verbindet und eine neue Siliziumkarbid- oder SiC-Keramik bildet. Das Material „bildet die Holzarchitektur exakt nach“, so Shin.
Obwohl SiC-Chips wahrscheinlich keine Computerchips ersetzen werden, sind Materialwissenschaftler an den neuartigen Eigenschaften von Keramiken interessiert, die auf Vorlagen von Holz und – in Shins Labor – anderen natürlichen Materialien wie Pollen und Reisschalen aufgebaut sind. Das komplizierte Netzwerk von Mikrokanälen und Poren in pflanzlichen Stoffen bietet enorme Oberflächen – bei Holz würde ein Gramm Material, flachgedrückt, ein Fußballfeld bedecken -, die sich bei der Trennung von Chemikalien in der Industrie oder beim Filtern von Schadstoffen aus Abgasen als nützlich erweisen könnten.
Die Säureauslaugungsmethode ergibt eine identische, positive Reproduktion des Holzes. Wenn Shin einen negativen Abdruck einfangen will, kann er den pH-Wert so verändern, dass das untere Ende der Skala bevorzugt wird.
„Die positive Nachbildung ist in Bezug auf die Oberfläche und die Gleichmäßigkeit viel besser“, so Shin. „Negative Formen brechen leicht zusammen, aber es ist möglich, faserartige Materialien herzustellen“, bei denen die Mineralien holzartige Öffnungen ausfüllen.
PNNL (www.pnl.gov) ist ein Labor des DOE Office of Science, das komplexe Probleme in den Bereichen Energie, nationale Sicherheit, Umwelt und Biowissenschaften löst, indem es das Verständnis von Physik, Chemie, Biologie und Computern fördert. Das PNNL beschäftigt 3.900 Mitarbeiter, verfügt über ein Jahresbudget von 650 Millionen Dollar und wird seit seiner Gründung im Jahr 1965 von der in Ohio ansässigen Firma Battelle geleitet.