Hierarchical composites by gluing of nano- and mesocrystals

• Antragsteller: Professor Dr. Helmut Cölfen (†); Professor Dr. Peter Fratzl, seit 7/2012; Professor Dr. Helmut Schlaad
• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 126361268

In natürlichen organisch-anorganischen Kompositmaterialien, wie beispielsweise Knochen oder Perlmutt, werden steife und sehr spröde Mineralpartikel mit weichen organischen Materialien kombiniert. Aufgrund ihrer komplexen hierarchischen Struktur und einer gut kontrollierten Wechselwirkung der beiden Bestandteile an ihrer Grenzfläche, weisen diese Strukturen hohe Steifigkeit bei gleichzeitig hoher Zähigkeit auf. Durch das kontrollierte Anordnen von anorganischen Kristallen mit Hilfe organischer Moleküle erreichen Komposit-materialien biologischer Herkunft darüber hinaus auch bemerkenswerte optische und magnetische Eigenschaften. Inspiriert von diesen Konzepten entwickeln wir biomimetische Kompositstrukturen durch Verkleben von Mineralpartikeln mit Polymeren sowie Hierarchie-bildung über Ein-Schritt-Selbstorganisation mittels Flüssigkristallbildung.Die verwendeten Polymere sind Copolymere mit Cholesterin-Seitenketten oder helikale Polymere mit Aminosäure (Carboxyl/Amin) Klebe-Einheiten (verschiedene Verhältnisse an Flüssigkristall-/Klebe-Einheiten sowie Kettenlängen). Die Polymere bilden chiral-nematische lyotrope Phasen auf der µm Längenskala aus, und die Carboxylgruppen in den Polymer-seitenketten binden über Coulomb-Wechselwirkungen bzw. H-Brücken an die Nanopartikel-oberflächen. Komposite mit einer Strukturierung auf zwei Hierarchieebenen aus anisotropen Nanokristallen (Laponit und Vanadiumpentoxid) und flüssigkristallinem Polymer wurden über Ein-Schritt-Selbstorganisation in größeren Mengen hergestellt: Anordnung der Nanopartikel (erste Hierarchieebene) innerhalb einer strukturierten organischen Matrix (zweite Ebene). Verschiedene analytische Techniken (Lichtmikroskopie, Mikro-Tomographie, REM, SAXS, TEM) zeigten die hierarchische Strukturierung der Materialien von der mm und µm bis hin zur nm Skala. Die beobachte strukturelle Anisotropie zeigte sich auch in der mechanischen Charakterisierung mittels Nanoindentation.Dieser Ansatz ermöglicht eine gezielte Variation struktureller Parameter und die Optimierung mechanischer Eigenschaften sowie die Untersuchung der Auswirkung der hierarchischen Struktur auf das Verformungsverhalten (Struktur-Eigenschafts-Beziehung). Zudem zielt das Projekt auf die Herstellung von multifunktionellen Kompositen mit optimierten mechanischen und optischen/magnetischen Eigenschaften, um den Einfluss der hierarchischen Struktur auf die Eigenschaften der Materialien zu untersuchen. Hierzu werden hierarchisch strukturierte Komposite mit anderen technologisch relevanten und gut verfügbaren Materialien wie Goldnanostäbchen und magnetische Nanopartikel mit Hilfe unserer Strukturierungskonzepte synthetisiert. Bei Verwendung von magnetischen Nanopartikeln kann deren Orientierung mittels eines externen magnetischen Feld verbessert werden, so dass eine Orientierung bis zur makroskopischen Längenskala möglich sein sollte.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1420: Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Barbara Aichmayer, bis 6/2012