Mithilfe von MRT- und NMR-Techniken hat ein Team des Labors Navier dieses Phänomen des Transports von gebundenem Wasser nachgewiesen und gemessen, das auch bei der Regulierung der Luftfeuchtigkeit in Gebäuden mit biobasierten Materialien oder bei Trocknungsprozessen von Holz eine Rolle spielt. Die Ergebnisse sind in der Zeitschrift Physical Review Applied veröffentlicht.
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Wenn eine Pflanze oder ein Stück Holz trocknet, verdunstet zunächst das im Porenraum des Festkörpers enthaltene, sogenannte "freie" Wasser. Das Material enthält aber auch "gebundenes" Wasser, das in den Zellwänden eingelagert ist. Die Masse dieses gebundenen Wassers kann bis zu 30 % der Trockenmasse des Holzes ausmachen. Bisher nahm man an, dass dieses Wasser im Material wandern kann, aber eine direkte Beobachtung der Bewegung des gebundenen Wassers war nicht möglich: Gemessen wurde nur der Transport der Gesamtfeuchte – also des Porenwassers, des Wasserdampfs und des gebundenen Wassers.
Ein Team des Labors Navier (CNRS/ENPC/Université Gustave Eiffel) hat eine experimentelle Studie durchgeführt, die erstmals den Transport von gebundenem Wasser im Holz spezifisch nachgewiesen und charakterisiert hat.
Die Diffusion von gebundenem Wasser in Proben aus Eichen-, Pappel- und Tannenholz wurde mit Hilfe von MRT- und NMR-Techniken untersucht, die die Bewegung von Wassermolekülen sichtbar machen und messen können. Dazu wurden die Proben mehrere Wochen lang in einer sehr feuchten Atmosphäre mit gebundenem Wasser gesättigt. Anschließend wurden die Poren des Materials mit Silikonöl gefüllt, wodurch mögliche Wasserbewegungen auf die des gebundenen Wassers innerhalb der festen Phase beschränkt wurden.
Mithilfe der MRT konnten die Forscher die Diffusion der gebundenen Wassermoleküle durch die gesamte Holzprobe beobachten. Die NMR ermöglichte es, die Menge des sich bewegenden Wassers zu quantifizieren. Ähnliche Ergebnisse wurden mit den verschiedenen Holzarten erzielt, trotz unterschiedlicher Materialstrukturen, und sogar mit einfachen Stapeln von Cellulosefasern. Wider Erwarten erwies sich der Prozess der Wanderung des gebundenen Wassers als unabhängig von der Wasserkonzentration und der Richtung (obwohl Holz ein anisotropes Material ist).
Die Schlussfolgerung lautet, dass das tatsächlich sehr mobile gebundene Wasser spontan im Holz transportiert wird, sobald ein geringster Feuchtigkeitsgradient vorliegt. Tatsächlich ermöglichen die Veränderungen des Diffusionskoeffizienten mit der Temperatur, die Aktivierungsenergie zu bestimmen, die die Wassermoleküle überwinden müssen, um zu diffundieren, und die deutlich höher ist als die potenzielle Energie der Schwerkraft. Dies erklärt, warum gebundenes Wasser in einem Baum bis in große Höhen aufsteigen und so dazu beitragen kann, die Blätter der Baumkronen zu versorgen, wenn ihnen Wasser fehlt.
Die Ergebnisse dieser Studie tragen nicht nur zu einem besseren Verständnis der Wasserdiffusion in Pflanzen bei. Sie betreffen auch die Regulierung der Luftfeuchtigkeit in Gebäuden mit biobasierten Materialien, die Trocknungsverfahren von Holz oder die Gewinnung von Wasser aus Cellulose bei der Papierherstellung. Im Labor Navier wird die Studie auf der Grundlage der neu gewonnenen Ergebnisse fortgesetzt, mit dem Ziel, genau zu beschreiben, wie Wasser durch verschiedene biobasierte Baumaterialien mit Pflanzenfasern diffundiert.
Diffusion von gebundenem Wasser im Holz innerhalb der festen Phase, die die Hohlräume umgibt (hier mit Öl gefüllt, zentrale Zeichnung). Ein aktivierter Prozess setzt Wassermoleküle in den amorphen Bereichen der Cellulose in Bewegung (unten). Die Abnahme des Gehalts an gebundenem Wasser über die Zeit wird mittels MRT beobachtet (oben).
© Luoyi Yan - Ph. Coussot/Laboratoire Navier