College Park - Biologisch abbaubar, energiesparsam in der Herstellung und dennoch extrem robust: US-Forscher haben eine Methode zur Herstellung besonders widerstandsfähiger Holzwerkzeuge entwickelt. Deren Potenzial demonstrieren sie im Fachblatt „Matter“ anhand von Nägeln und einem Messer, das dreimal schärfer sein soll als gewöhnliche Tafelmesser aus Edelstahl.

Die derzeit schärfsten Messer seien entweder aus Stahl oder Keramik, schreibt das Team um Teng Li von der University of Maryland in College Park. Sie würden jedoch unter enormem Energieaufwand produziert, was nicht nachhaltig und zudem teuer sei. Umweltfreundlicher und kostengünstiger sind demnach wiederverwendbare Messer und andere Werkzeuge aus speziell gehärtetem Holz.

Bearbeitung mit Dampf und Druck

Am Beispiel von Lindenholz demonstrieren die Materialforscher, dass das von ihnen entwickelte, recht simple Verfahren Holz um den Faktor 23 härter macht. Generell werde Holz bei der Herstellung mit Dampf und Druck bearbeitet – für viele Zwecke sei das allerdings nicht ausreichend. Das begründen sie damit, dass Zellulose, der Hauptbestandteil von Holz, zwar hervorragende mechanische Eigenschaften habe, aber nur knapp die Hälfte des Gewichtsanteils ausmache. Daher gelte es, andere Bestandteile wie Hemicellulose und Lignin zu entfernen, ohne das Zellulose-Gerüst zu zerstören.

„Unser derzeitiger Gebrauch von Holz schöpft das volle Potenzial kaum aus“, wird Li in einer Mitteilung der Zeitschrift zitiert. Er erläutert das Grundprinzip: „Der Prozess besteht aus zwei Schritten. Im ersten Schritt entfernen wir einen Teil des Lignins. Danach wird das eigentlich sehr steife Holz weich, flexibel und etwas schwammig. Im zweiten Schritt wenden wir bei dem verarbeiteten Holz Druck und Hitze an, um es zu verdichten und das Wasser zu entfernen.“

Scharfe Messer und rostfreie Nägel aus Holz

Danach wird das Holz in die gewünschte Form gebracht und mit Mineralöl behandelt, damit es wasserabweisend ist. So würden etwa Messer ihre Schärfe auch nach regelmäßigem Spülen lange behalten. Untersuchungen unter dem Mikroskop belegen demnach, dass die Methode Kanäle und Poren in dem gehärteten Holz weitgehend verschwinden lässt. Zudem maßen die Forscher sowohl den Härtegrad des Holzes als auch die Schärfe der Messer.

In Videos schneiden sie mit einem Holzmesser durch ein Steak und hämmern einen Holznagel durch drei übereinandergelegte Bretter aus Lindenholz. Neben den ökologischen Vorteilen, schreiben sie, seien die Holznägel im Gegensatz zu konventionellen Produkten rostfrei.

„In der Küche haben wir viele Holzgeräte, die wir sehr lange nutzen, etwa Schneidebretter, Essstäbchen oder Nudelhölzer“, sagt Li. „Auch diese Messer lassen sich oft verwenden, wenn man sie regelmäßig schärft und pflegt.“ Mit ihrem Verfahren wollen die Materialforscher weitere Anwendungen von gehärtetem Holz ermöglichen, etwa für besonders widerstandsfähige Fußböden.

Härtungsprozess des Holzes

Im Detail läuft der Härtungsprozess folgendermaßen ab: Nachdem das Holz in eine gewünschte Blockgröße gebracht ist, soll zunächst eine chemische Behandlung Hemicellulose und Lignin weitgehend entfernen. Dazu werden die Blöcke so lange in eine wässrige Lösung mit etwas Natriumhydroxid (NaOH; 5 Prozent Gewichtsanteil) und Natriumsulfit (Na2SO3; 2,5 Prozent) gelegt, bis die Poren sich vollgesogen haben und das Holz zu Boden sinkt.

Danach wird die Lösung bei hundert Grad Celsius zum Kochen gebracht – je nach gewünschter Härtung für zwei bis sechs Stunden. Um die Chemikalien und das restliche Lignin zu entfernen, wird das Holz dann mit demineralisiertem Wasser abgespült. Anschließend werden die Blöcke bei Raumtemperatur mehrere Stunden lang gepresst, um den Großteil des Wassers zu entfernen, und schließlich werden sie bei 105 Grad erhitzt, bis sie völlig trocken sind. Zum Schluss wird das gehärtete Holz 48 Stunden in – bei Bedarf lebensmittelechtes – Mineralöl getaucht, damit es wasserabweisend wird.