Hierarchically structured porous ceramics and composites from nanocasting of plant cell walls

• Antragsteller: Professor Dr. Oskar Paris; Professor Dr. Johann Plank; Professor Dr. Cordt Zollfrank
• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 127630356

Die erzielten Erfolge zur Überführung pflanzlicher Strukturen in Siliciumdioxid und Erdalkalicarbonate mit hierarchischer und gerichteter Porosität haben zu Materialien mit Anwendungspotenzial in mehreren Bereichen geführt. In der letzten Antragsperiode wollen wir dieses Potenzial für zwei vielversprechende Systeme anhand von anisotropen Funktions- (Teil 1) und Baumaterialien (Teil 2) weiter grundlegend erforschen. Im ersten Teilprojekt untersuchen wir die feuchtigkeitsabhängige Aktuation pflanzlicher Strukturen (Kiefernzapfen: Pinus resinosa) und ihre Übertragung in ein anorganisches Material durch unser nanoskaliges Abformungsverfahren. Dazu werden die aktuatorischen Eigenschaften der beteiligten Gewebe experimentell untersucht und theoretisch modelliert. Die Ergebnisse werden mit denen der anorganischen Replikate bezüglich deren makroskopischer Aktuation verglichen und bewertet. Darauf aufbauend wird die Überführung der relevanten anisotropen Eigenschaften und der hierarchischen Strukturen in das anorganische Material optimiert. Basierend auf den Ergebnissen wollen wir mechanische Modelle für die Deformation auf der Nanoskala und die makroskopische Aktuation, welche durch die Strukturhierarchie hervorgerufen wird, entwickeln. Ein wichtiges Ziel ist die Aufklärung der unterschiedlichen molekularen Deformationsmechanismen, die zu einer ähnlichen makroskopischen Aktuation führen, und wie dieses Verhalten mit der hierarchischen Strukturierung zusammenhängt. Dazu entwickeln wir vereinfachte anorganische Modellstrukturen aus anisotrop strukturierteren porösen Cellulosegelen, deren Aktuation direkt mit zielgerichteten Simulationen korreliert werden kann.Im zweiten Teilprojekt wird die Erzeugung amorpher oder nanokristalliner anorganischer Phasen jenseits von Siliciumdioxid mit einer reproduzierbaren Struktur beginnend auf der Nanoskala anvisiert, was bisher nicht möglich war. Ein konkretes Ziel ist die Entwicklung alternativer Syntheserouten für amorphe Erdalkalikarbonate aus pflanzlichen Strukturen, die die mechanische Stabilität verbessern. Eine vollständig neue Entwicklung ist die Herstellung komplexer amorpher Calciumsilikat-Hydrate (C-S-H) aus pflanzlichen Geweben, die zuvor in hierarchisch strukturiertes Siliciumdioxid umgewandelt wurden. Dazu entwickeln wir ein völlig neues Verfahren, C-S-H-Phasen in den nanoskaligen Poren von Siliciumdioxid aus Pflanzenstrukturen zu generieren, wodurch wir fundamentale Erkenntnisse zur Bildung von C-S-H unter geometrischer Restriktion in Nanoporen erwarten. Weiter wollen wir auch C-S-H faserverstärkte Replikate von Holz herstellen, die nach der Kalzinierung optisch transparent sind. Solche anisotrop strukturierten, transluzenten Calciumsilikate sind von besonderer Bedeutung für Anwendungen im Baubereich, da hier eine hohe Lichtdurchlässigkeit mit hervorragenden Wärmedämmungs- und Schallschutzeigenschaften kombiniert werden kann.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1420: Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials
• Internationaler Bezug: Österreich