Aufbau multidimensionaler magnetischer Strukturen mittels eines erkenntnisbasierten biomimetischen Ansatzes unterstützt durch atomistische Modellierung - 3. Phase

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Lucio Colombi Ciacchi; Privatdozent Dr. Michael Maas, seit 2/2016
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 210326315

In unserem Verbundprojekt entwickeln wir eine biomimetische Strategie für die nasschemische Synthese von magnetischen Schichten mit kontrollierten physikalischen Eigenschaften. Zu diesem Zweck werden die Biomineralisationseigenschaften von einzelnen Ferritin-Einheiten für das Wachstum dünner, auf multidimensionalen Oxidgerüsten getragener Schichte genutzt. In den ersten zwei Projektphasen haben wir ein biomimetisches Syntheseprotokoll durch Erforschung der fundamentalen physikochemischen Erkenntnisse des biomineralisierenden Systems entwickelt.Auf den bisherigen Ergebnissen aufbauend soll in der dritten SPP-Phase vor allem die Verwendung unserer Biomineralisationstechnik zur Beschichtung von vorgefertigten SiO2-Templaten unterschiedlicher Form mit dünnen Eisenoxidschichten erforscht werden, um Hybridmaterialien mit Anwendungspotential in vielfältigen Gebieten herzustellen. Neben sphärischen Partikeln und flachen Kristalloberflächen werden poröse Substrate, insbesondere Diatomeenfrustel, in den Mittelpunkt unserer Untersuchungen rücken. Frustel von Diatomeen sind chemisch inerte, diamagnetische Supporte mit einer hierarchischen porösen Architektur fraktalen Charakters. Aus diesem Grund stellen sie ein ideales System für die Untersuchung der Funktionalität unserer Biomineralisierungsstrategie in eingeschränkten Räumen dar. Insbesondere können wir dadurch untersuchen, bis welcher kleiner Skala innere Porenwände mit kontinuierlichen Schichten mineralisiert werden können, oder ab welcher kritischer Porengröße der Mineralisationsprozess von einem reaktionsratenlimitierten zu einem diffusionslimitieren Mechanismus umwandelt.Die Notwendigkeit einer regelmäßigen Funktionalisierung der porösen Frusteln mit Ferritin-Einheiten und eines kontinuierlichen Mineralwachstums in den sehr engen Poren stellt eine besondere Herausforderung dar. Aus diesem Grund sollen Untersuchungen zur Entwicklung von Syntheseprotokollen auf der Basis von Erkenntnissen des Biomineralisationsmechanismus innerhalb poröser Supporte durchgeführt werden. Dies soll wieder durch eine Kombination von Experimenten und Simulationen realisiert werden. Insbesondere werden unsere Simulationsaktivitäten sowohl die mesoskopische Modellierung des Mineralwachstums in porösen Strukturen durch Kontinuumsansätze als auch die mikromagnetische Modellierung der mineralisierten Bauteilen mittels frei verfügbaren Softwarepaketen einschließen.Entscheidend in dieser Phase wird nicht nur die vollständige Charakterisierung der physikalischen und funktionellen Eigenschaften der hergestellten Materialien, sondern auch ein Nachweis deren Anwendbarkeit in zwei Fällen sein. Unsere entwickelte Nanopartikel und poröse Strukturen sollen daher für (1) die magnetische Trennung, Wiedergewinnung und Aufreinigung von organischen Farbmitteln und Schwermetallen und (2) die Zellmanipulation, Gewebezüchtung und Zelltherapieuntersuchungen in Zellkulturen geprüft und optimiert werden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1569: Erzeugung multifunktioneller anorganischer Materialien durch molekulare Bionik
• Ehemalige Antragstellerin: Dr. Laura Treccani, bis 2/2016