Synthese und Bestimmung der mechanischen Eigenschaften von aufgerollten Nanokompositen als Modell von Schwammnadeln

• Antragstellerin: Dr. Zaklina Burghard
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 252091510

Im zweiten Abschnitt dieses Projekts soll der zuvor etablierte Herstellungsweg für aufgerollte Strukturen weiter ausgebaut werden, um Rollen zu erhalten, deren dichtes Inneres bestehend aus eng verbundenen Lamellen und einem gefüllten zentralen Kern, die Architektur von natürlichen Schwammnadeln weitgehend nachahmt. Auf diese Weise soll das Potential der Biomimetik vollständig ausgenutzt werden, insbesondere zur Erzielung einer optimalen mechanischen Leistungsfähigkeit der Rollen, welche mechanische Flexibilität mit hoher Festigkeit und Bruchzähigkeit vereint. Die Freiräume in den Rollen, die durch manuelles Aufrollen auf einem Substrat oder selbständiges Aufrollen erzeugt werden, sollen mittels chemischer Abscheidung von Titandioxid-Partikeln aufgefüllt werden. Bestmögliche mechanische Eigenschaften sollen durch optimierte Einstellung wichtiger Parameter wie Anzahl und Dickenverhältnis der enthaltenen Schichten, Innendurchmesser der Rollen, Kristallinität und Packungsdichte der Titandioxid-Nanopartikel, sowie des durch Heizen der Proben eingestellten Wassergehalts erzielt werden. Um die natürlichen Nadeln noch weiter anzunähern ist zudem geplant, Nanofasern aus Zellulose einzubringen, deren weicher mechanischer Charakter die mechanische Flexibilität erhöhen soll, und deren maßgeschneiderte Länge und Dichte an Oberflächenladungen sie nahezu ideal zur Abscheidung der Titandioxid-Nanopartikel macht. In Kombination mit der detaillierten Untersuchung der Mikro- und Nanostruktur der künstlichen Nadeln sollen die wesentlichen Mechanismen der mechanischen Verstärkung ausfindig gemacht und mit den für die natürlichen Nadeln relevanten Mechanismen verglichen werden. Ein weiteres Ziel, welches parallel verfolgt werden soll, besteht darin, zwei unterschiedliche Arten von Aktuatoren im Detail zu untersuchen. Deren Funktion soll auf Änderungen der Luftfeuchtigkeit der Umgebung bzw. einer kontrollierten elektrostatischen Aufladung basieren. Ein wichtiger Zielpunkt ist die Bestimmung der Leistungsfähigkeit der Aktuatoren in Abhängigkeit der wichtigsten Parameter, einschließlich Anzahl und Verbindungsstärke der Lamellen, Innendurchmesser und Breite der Rollen, sowie des Anteils an beigefügten Zellulose-Nanofasern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen