Mechanische Charakterisierung nanoskaliger Grenzflächen in Biokompositmaterialien.
Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Ermittlung der Beziehungen zwischen Eigenschaften, Struktur und Funktion in mineralisch-organischen Biokomposit-Materialien ist eine der größten Herausforderungen in der heutigen Biomaterialwissenschaft, die Forschungsbemühungen in Biologie, Chemie, Physik und Ingenieurwesen umfasst. Das disziplinübergreifende Interesse an diesem Thema ergibt sich aus der Effizienz der biochemischen Maschinerie, die für die biotische Mineralbildung verantwortlich ist, der unkonventionellen Funktionsfähigkeit dieser Gewebe und gleichzeitig der Eleganz und sogar Einfachheit der „technischen“ Lösungen, die sie den Organismen bietet. Insbesondere gelingt es der Natur, komplexe hierarchische Biokomposite mit überlegenen mechanischen Eigenschaften zu bilden, die den Tieren eine hohe Steifigkeit und Zähigkeit verleihen und in einigen Fällen für funktionelle Anforderungen geeignet sind, die eine viskose Dämpfung beinhalten, wie z. B. Stoßdämpfung, Signalfilterung und Vibrationshemmung. In hochmineralisierten Geweben sind die steifen und harten mineralischen Bausteine auf allen hierarchischen Ebenen in der Regel durch ultradünne nachgiebige, weiche und viskoelastische organische Grenzflächen verbunden, die in einigen Fällen nur wenige Nanometer dick sind. Obwohl diese Grenzflächen nur einen kleinen Volumenanteil der Biokompositstrukturen ausmachen, wird davon ausgegangen, dass ihre mechanischen Eigenschaften die Leistung des gesamten Gewebes wesentlich beeinflussen. Unser Verständnis des Beitrags der organischen Grenzflächen zur mechanischen Funktionalität dieser Biokomposit-Bauteile ist jedoch begrenzt, vor allem weil wir noch nicht in der Lage sind, ihre nanomechanischen Eigenschaften zu bewerten. Das Projekt wurde von dem Ziel geleitet, experimentell-numerische und experimentell-analytische Strategien zu entwickeln, um die Eigenschaften organischer Grenzflächen in Biokomposit-Architekturen zu charakterisieren. Um dieses Ziel zu erreichen, untersuchten wir mineralisch-organische Architekturen aus verschiedenen Organismen. Die Untersuchungen wurden durch die Anpassung und Neuerfindung modernster mechanischer Charakterisierungstechniken im Nanomaßstab durchgeführt und durch umfangreiche numerische und theoretische Analysen unterstützt. Die Ergebnisse dieser Forschung haben es uns nicht nur ermöglicht, eine herausragende Frage auf dem Gebiet der biologischen Materialien zu beantworten, sondern dürften auch einen grundlegenden Einfluss auf die künftige Untersuchung und Gestaltung klassischer Materialsysteme haben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Semi-empirical formulation of contact with an interphase boundary. Extreme Mechanics Letters, 50, 101541.
Tadayon, K.; Lemanis, R.; Bar-On, B. & Zlotnikov, I.
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In Situ Nanoindentation at Elevated Humidities. Advanced Materials Interfaces, 10(33).
Tadayon, Kian; Bar‐On, Benny; Günther, Björn; Vogel, Cordula & Zlotnikov, Igor
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Nanoscale dynamic mechanical analysis on interfaces of biological composites. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials, 146, 106091.
Braunshtein, Ofer; Levavi, Liat; Zlotnikov, Igor & Bar-On, Benny
