Interphasen-Engineered bioinspirierte keramische transparente Verbundwerkstoffe

• Antragstellerin: Professorin Kaline Pagnan Furlan, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Glas und Keramik und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Beschichtungs- und Oberflächentechnik ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 508235687

Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung bioinspirierter perlmuttartiger keramischer Verbundwerkstoffe mit funktionalen integrierten optischen und mechanischen Eigenschaften. Die wissenschaftliche Arbeitshypothese ist, dass die Nano-Oberflächenmodifikation von Plättchen (“Ziegel”) mittels Moleküllagenabscheidung (MLD) es ermöglichen wird, die Dicke der Interphase ("Mörtel") und den Brechungsindex in einer noch nie dagewesenen Weise präzise einzustellen, was die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit integrierter hoher Zähigkeit und hoher Transparenz ermöglicht. Die mittels MLD beschichtene Plättchen werden dann zu perlmuttartigen Strukturen (“Ziegel und Mörtel”) assembliert und 3D gedruckt, wodurch transparente Verbundwerkstoffe entstehen. Natürlicher Perlmutt weist eine Interphasendicke von 10 bis 50 nm auf, die gleichmäßig um die Plättchen verteilt ist. Eine solche Gleichmäßigkeit und geringere Dicke wird mit den derzeit entwickelten Techniken kaum reproduziert. Darüber hinaus wird die Grenzfläche zwischen Plättchen und Mörtel häufig durch Ablagerung oder Infiltration hergestellt, ohne dass eine chemische Reaktion zwischen Mörtel und Plättchen stattfindet, was die Grenzflächenfestigkeit verringert. Die besten Ergebnisse der “Stand der Forschung” in Bezug auf Plättchensysteme beruhen auf der Funktionalisierung der Plättchenoberflächen durch chemische Methoden, doch können solche Methoden die Mörteldicke wie beim natürlichen Perlmutt noch nicht vollständig nachahmen.Um dieses Problem anzugehen, zielt das aktuelle Projekt darauf ab, den Mörtar durch Nano-Oberflächenmodifikation von Plättchen und der Bottom-up Aufbau des Mörtels mittels Moleküllagenabscheidung (MLD). Diese Methode bietet das Potenzial, sowohl die optischen als auch die mechanischen Eigenschaften zu optimieren, was zu "härteren Gläsern" führt. Der Hauptvorteil liegt in der präzisen Kontrolle der Grenzflächen und der Interphase, die durch mit MLD-Beschichtungen erreicht wird, sodass Mörtel mit nanometrischer Dicke (10-50 nm) und chemischer Bindung an die Plättchen, wie in natürlichem Perlmutt, erreicht werden können. Solche perlmuttartigen Verbundwerkstoffe könnten als Gasbarrierefolien, feuerfeste Folien, hochleitende, schlagfeste und strukturelle Materialien verwendet werden. Außerdem können MLD-beschichtete Partikel für Katalyse, Pharmazeutika, Pigmente, Tissue-Engineering sowie in der Energiespeicherung genutzt werden. Hier konzentrieren wir uns auf optische Anwendungen und streben eine hohe Transparenz und einen niedrigen Trübungsfaktor an. Die hier entwickelten Materialien könnten eine Alternative zum Ersatz herkömmlicher Smartphone-Bildschirme sein, die in der Regel spröde und anfällig für katastrophale Schäden sind.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Großgeräte: Spectroscopic ellipsometer
• Gerätegruppe: 5360 Meßgeräte für gestreutes und reflektiertes Licht, optische Oberflächen-Prüfgeräte