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Neuartiges „Super-Eis“ ist so stabil wie Beton
Eis kann hohe Lasten tragen, versagt aber oft plötzlich, sobald sich ein Riss ausbreitet. Ein Verbund aus Eis, Cellulose-Nanokristallen und einem künstlich gekoppelten Protein erhöht die Druckfestigkeit im Labor auf etwa das Zehnfache von reinem Eis und die Energie bis zum Versagen auf das 70-Fache. Das Material namens BioPykrete verformt sich dabei deutlich allmählicher, ist aber erst ein Machbarkeitsnachweis.
Rehovot (Israel). Reines Eis ist als Werkstoff zugleich fest und spröde, weil kleine Risse sich schnell ausbreiten und einen Probekörper abrupt brechen lassen können. Das begrenzt seinen Einsatz für tragende Strukturen, selbst wenn der Rohstoff in kalten Regionen reichlich vorhanden ist.
Schon klassisches Pykrete verstärkt Eis mit pflanzlichen Fasern und macht sich damit ein einfaches Verbundprinzip zunutze. Die neue Arbeit geht einen Schritt weiter, indem sie nanoskalige Cellulose gezielt organisiert und über ein speziell konstruiertes Protein an die Eismatrix koppelt.
Forscher der Hebrew University of Jerusalem um Prof. Ido Braslavsky haben Cellulose-Nanokristalle, kurz CNC, mit Wasser vermischt und kontrolliert gerichtet gefroren. Beim Erstarren ordnen sich die stäbchenförmigen Nanokristalle zu einem dreidimensionalen Netzwerk zwischen den Eiskristallen an.
Zusätzlich entwickelte das Team ein Chimärenprotein aus zwei Bindedomänen, von denen AFPIII an Eis und das Kohlenhydrat-Bindemodul CBM3a an kristalline Cellulose bindet. Die Forscher nehmen an, dass diese molekulare Brücke die Cellulose-Struktur an das Eis koppelt und damit die Ausbildung des verstärkenden Netzwerks unterstützt.
Bei Druckversuchen parallel zur Wachstumsrichtung des Eises erreichte BioPykrete rund die zehnfache Druckfestigkeit von reinem Eis. Zugleich stieg die bis zum Materialversagen aufgenommene Energie auf etwa das 70-Fache des Vergleichswerts. Gegenüber einem ansonsten vergleichbaren Eis-CNC-Verbund ohne Chimärenprotein verdoppelten sich sowohl die Festigkeit als auch die Energie bis zum Versagen.
Mikroskopische Aufnahmen der inneren Struktur zeigen ein zellartiges Netzwerk aus Cellulose-Nanokristallen, das die Eisbereiche auf mikroskopischer Ebene unterteilt. Nach der Interpretation der Autoren behindert dieses Netzwerk die freie Ausbreitung von Rissen, wodurch das Material statt abruptem sprödem Bruch eine allmählichere nichtlineare Verformung zeigt.
„Wir wollten über das bloße Mischen von Fasern in Eis hinausgehen und stattdessen kontrollieren, wie sich die verschiedenen Materialien auf molekularer Ebene verbinden. Das Ergebnis verändert nicht nur, wie fest das Eis ist, sondern auch, wie es bricht. Statt plötzlich zu zersplittern, kann es viel mehr Energie aufnehmen und sich allmählich verformen“, erklärt Prof. Ido Braslavsky.
Die Messungen machen BioPykrete zu einem Machbarkeitsnachweis für einen Eisverbund, der Lasten besser trägt und Schäden weniger abrupt entwickelt. Für einen tatsächlichen Einsatz als Baustoff reichen die bisherigen Laborversuche jedoch nicht aus, weil wichtige Langzeiteigenschaften noch nicht untersucht sind.
Weitere Untersuchungen sollen deshalb Frost-Tau-Wechsel, langsame Verformung unter konstanter Last und die Ausbreitung von Rissen genauer erfassen. Auch eine Lebenszyklusbewertung des überwiegend aus Eis und pflanzenbasierter Cellulose bestehenden Verbunds steht nach Angaben der Autoren noch aus. Erst solche Tests können zeigen, ob BioPykrete in arktischen oder antarktischen Anwendungen einen praktischen Vorteil gegenüber etablierten Baustoffen bietet.