Bioinspirierte Kompositmaterialien aus gerichteten Cellulosenanofasern mit maßgeschneiderten Oberflächenfunktionalitäten

• Antragsteller: Professor Dr. Stanislav N. Gorb; Professor Dr. Oliver Lieleg; Professor Dr. Cordt Zollfrank
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 447247094

Die Oberfläche eines Materials ist von fundamentaler Bedeutung, weil durch sie die Funktion und Eigenschaften für die jeweiligen Anwendungen im Hinblick auf ihre Interaktion mit den herrschenden Umgebungsbedingungen determiniert werden. Anpassungs- und Wandlungsfähigkeit ist eine inhärente Eigenschaft biologischer Materialien, um ihre ursprüngliche Funktionalität in gewissen Grenzen zu erhalten und wieder herzustellen. Natürliche Materialien und Prozesse bieten eine schier unerschöpfliche Quelle an möglichen Lösungen für technische Fragestellungen, um neue Materialien mit maßgeschneiderten Oberflächen zu generieren. Derartige bioinspirierte Materialien bieten besondere Möglichkeiten, sich an komplexe und multivariate Umgebungsbedingungen anzupassen. Unser Projekt wird durch biologische Vorbilder inspiriert, die adaptive und dynamische Oberflächeneigenschaften aufweisen. Der Fokus des beantragten Projekts liegt auf der Entwicklung und Charakterisierung von flexiblen, adaptiven und schaltbaren funktionellen Substraten mit speziellen mechanischen Eigenschaften oder Wechselwirkungen mit Fluiden. Wir beabsichtigen die Herstellung derartiger Materialien durch die ausgerichtete Anordnung natürlicher Cellulosefasern für die Entwicklung technischer Materialien nach biologischen Prinzipien. In dem Projekt verfolgen wir drei Arbeitsrichtungen: i) Die Untersuchung natürlicher vertikal ausgerichteter Cellulosenanofaserstrukturen bestimmter klebriger Pflanzensamen, ii) die Herstellung ähnlicher Strukturen mit Cellulosenanofasern über synthetische Routen mit ausgewählten biogenen Materialien, z.B. nano-fibrillierte Cellulose und iii) die Kombination von mikroskopischen und tribologischen Methoden zur Charakterisierung der biologischen und der bioinspirierten Materialien mit verbesserten adhäsiven, nicht-kohäsiven und weiteren funktionellen Eigenschaften. Reaktionsfähige Oberflächenstrukturen mit adaptiven Eigenschaften werden über die gezielte chemische Funktionalisierung von gerichteten Cellulosenanofasern realisiert, um so die Benetzbarkeit, die tribologischen Eigenschaften oder das Adhäsionsverhalten der Oberflächen zu verändern. Die von uns vorgeschlagenen Materialien basieren auf nachwachsenden Rohstoffen und sind unbedenklich für die Umwelt, wodurch die biologische Transformation von Industrie und Gesellschaft weiter voran gebracht wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen