Walnussschale - Komplexes Design

Ob heiße Jahreszeit und Eiscreme oder kalte Jahreszeit und Nussknacker. Die eigentliche Saison der Walnüsse beginnt im Oktober, in Deutschland zählt die Walnuss aber im ganzen Jahr zu den beliebtesten Nüssen. Eine Besonderheit ist ihre eigene Verpackung. In der wissenschaftlichen Arbeit von Sebastian J. Antreic und sechs weiteren Forschern heißt es:   „Die äußeren Schalen von Nüssen können eine bemerkenswerte Zähigkeit und Festigkeit aufweisen“.

Angesichts der Tatsache, dass Walnüsse weit verbreitet und kommerziell wichtig sind, haben sie beschlossen, sich die Nüsse im Detail anzusehen. Sie fanden eine einzigartige Architektur in der Hülle, die als "interlocked packing" (verzahnte Anordnung) bezeichnet wird und einem 3-D-Puzzle ähnelt.

Die äußeren Schutzschalen besitzen eine geschichtete Anordnung von Sclerenchymzellen und Fasern mit einer polygonalen Form. Dies verleiht eine bemerkenswerte Zähigkeit und Festigkeit. Hier wird die Gewebestruktur der Walnussschalen eingehend analysiert, was ergab, dass diese aus einem einzigen Zelltyp bestehen, über den nie berichtet wurde: den Polylobat-Skleroidzellen. Diese unregelmäßig gelappten Zellen mit konkaven und konvexen Teilen sind im Durchschnitt mit 14 benachbarten Zellen verzahnt. Das Ergebnis ist eine komplizierte Anordnung, die als fertiges 3D-Puzzle nicht mehr zerlegt werden kann.

Genau diese Architektur liefert ergibt ein starkes aber leichtes Material, welches für Ingenieure von Interesse ist.

Mechanische Tests zeigen eine signifikant höhere Reißfestigkeit des verzahnten Walnusszellgewebes im Vergleich zum Sclerenchymgewebe einer Kiefernsamenhülle - da hier die überlappende Zellstruktur fehlt. Der höhere Festigkeitswert erklärt sich damit, dass ein Bruch nicht einfach intakte Zellen ablösen kann, sondern aufgrund der Verzahnung diese Schichten durchschneiden muss. Das Verständnis über diese jetzt identifizierten Nussschalenstruktur und ihrer Entwicklung wird biomimetische Materialdesigns- und Verpackungskonzepte beeinflussen. Darüber hinaus könnten diese einzigartigen Zellen von besonderem Interesse sein, um Nussschalen im Hinblick auf die Verwertung von Lebensmittelabfällen zu nutzen, da Walnüsse die weltweit am weitesten verbreiteten Baumnüsse sind. [Übersetzung von uns.]

In Ihrer Veröffentlichung ist ein Animationsfilm zu finden, welcher die verschachtelte Zellanordnung zeigt. Jetzt wird endlich klar, weshalb man zum Öffnen einiger dieser Nüsse einen Hammer verwenden muss! Es gibt keine Schichten, die sich einfach wie bei einer Zwiebel ablösen lassen. Stattdessen wird die gesamte Hülle durch ineinandergreifende Teile wie ein 3-D-Puzzle zusammengehalten.

1. Intelligentes Design und Biomimetik

Materialwissenschaftler interessieren sich dafür, wie biologische Materialien funktionieren.

  • Zahnschmelz und Perlmutt (Perlmutt) sind hart wie Glas, aber nicht spröde.
  • Seepocken bilden einen Klebstoff, der unter Wasser funktioniert.
  • Spinnen machen Seide, die flexibel und doch so zäh ist wie Stahl.

Das Verständnis dieser und vieler anderer Materialien erfordert eine intensive Untersuchung mit modernsten Mitteln. Erst dann sind Ingenieure in der Lage, diese unter Umständen nachahmen zu können. In einer einfachen Walnuss finden wir also ein weiteres Material, das "hohe Beständigkeit gegen Rissausbreitung, große Energieabsorptionskapazität und bemerkenswerte Toleranz gegenüber lokalen Fehlern" bietet.

Die Erkenntnisse, die diese Wissenschaftler bei der Betrachtung der Zellschichtungen in einer Walnussschale gewonnen haben, versprechen zwei Vorteile für die Menschen:

  1. zähes, leichtes Material, das durch Nachahmung der 3D-Struktur 
  2. „Valorisierung“ oder bessere Nutzung vorhandener Schalenabfälle durch Zugabe zu Spanplatten und anderen Baumaterialien (um seine Dichte und Festigkeit zu erhöhen)

Das ist sicherlich eine intelligentere Verwendung als die Schalen einfach nur zu Verbrennen. Und Umweltschützer werden diese nachhaltigere Nutzung von Biomaterialien zu schätzen wissen!

2. Entwicklung der Nusschale

Wie baut der Walnussbaum sein Puzzle?

Nach der Befruchtung der Blüten beginnen sich Samen zu bilden. Die Schalen beginnen als harte grüne Hülsen, die sich beim Reifen aufteilen. Die Sklerynchymzellen erscheinen zunächst gerundet, aber beim Wachsen weisen die Zellwände Perforationen auf. Aus den Perforationen wölben sich die Zellen mit normalerweise etwa 14 Vorsprüngen nach außen und bilden komplexe dreidimensionale Formen. Diese 14-seitige Figuren werden Tetrakaidekeder genannt und sie sind die einzelnen Einheiten des komplexen Puzzles. Benachbarte Zellen passen mit ihren eigenen Vorsprüngen in die entstehenden Zwischenräume zwischen den Vorsprüngen und schaffen so die ineinandergreifende Anordnung. Währenddessen entwickelt sich der Samen zu seiner charakteristischen faltigen, zweilappigen Form, welche von dünnen Wänden in der Mitte der Schale gestützt wird.

 

Laut Phys.org baut Kalifornien 99 Prozent der in den USA angebauten Walnüsse an. Das Walnussgenom wurde Anfang dieses Jahres entschlüsselt. Englische Walnüsse, die für ihr großes, schmackhaftes Nussfleisch geschätzt werden, werden normalerweise auf schwarze Walnussstümpfe gepfropft, die härtere Wurzeln haben und widerstandsfähiger gegen Krankheiten sind. Die domestizierten englischen Nüsse sind jedoch anfälliger für Insektenbefall, insbesondere durch Ameisen. Schwarze Walnüsse, die in Kalifornien wild wachsen, sind dagegen sehr zäh. Manchmal öffnen sich ihre Hülsen nicht. Und selbst wenn sie es tun, widerstehen sie den Schlägen eines Hammers - diese polyedrischen 3D-Puzzle bieten großen Schutz.

3. Nutzen für die Gesundheit von Walnüssen

Walnüsse enthalten Eisen, Selen, Kalzium, Zink, Vitamin E und einige B-Vitamine. Die BBC sagt, dass sie auch sogenannte "gute" Fette enthalten, welche oxidativen Stress im Gehirn reduzieren. Darüber hinaus enthalten sie „andere wichtige Nährstoffe wie Vitamin E, Folsäure und Ellagsäure“, die „alle in Walnüssen enthalten sind und auch zur Neuroprotektion und Gedächtnisfunktion beitragen“. Energiereich, aber nicht kalorienreich, können sie helfen, das Gewicht zu halten, den Darm unterstützen und sogar die Stimmung verbessern.

Penn State stellte in diesem Jahr fest, dass „Walnüsse helfen können, den Blutdruck bei Risikopatienten für Herzkrankheiten zu senken“. Eine andere Studie an der Universität von Connecticut ergab, dass „Walnüsse Schutz vor Colitis ulcerosa bieten“ (Quelle - PennState)

4. Weitere Vorteile von Walnüssen

Architekten schätzen Nussbaumholz als Baumaterial. "Bekannt für sein charakteristisches dunkles Holz mit attraktiven Maserung", sagt Liberon Lumber, "ist Walnuss ein dichtes und starkes Holz, das für teure Möbel und Zimmereien sehr begehrt ist."

Das Nussbaumholz mit seiner tiefroten Farbe und seiner komplexen, verwirbelten Maserung ist sehr beliebt für die Herstellung von Kaffeetischen, Gitarren, Waffen, Schmuck und sonstigen künstlerischen Kreationen, welche Hunderte oder Tausende von Euro kosten können. Walnussbäume sind gut für die Wirtschaft!

Neben der technischen Anwendbarkeit sind Walnussbäume sind auch einfach schöne Schattenbäume, mit breiten Blättern, die ein wenig Sonnenlicht durchlassen. Vögel lieben sie, weil sie ihre Jungen nisten. Und für Kinder sind die robusten Äste des Walnussbaums, die sich in alle Richtungen verzweigen, eine hervorragende Übung zum Klettern.

Was kann man an Walnussbäumen nicht lieben? Sie bieten Ernährung, Kunst, Bewegung, Schatten, Holz und jetzt einen weiteren Vorteil: ein biomimetisches Modell für die Materialwissenschaft.

Speziell zu den technischen Eigenschaften stellt sich die Frage: Welcher Erklärung ist naheliegender. Intelligentes Design oder zufällige ungerichtete Prozesse, welche eine Pflanze hervorgebracht haben, die Materialwissenschaftler sind nach gründlicher Forschung als Vorbild dient.