SPP 1420:  Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Biologie ; Chemie ; Maschinenbau und Produktionstechnik ; Mathematik ; Physik
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 73847914

Das Ziel des Schwerpunktprogramms ist es, Konzepte für neue Materialien zu entwickeln, die - inspiriert von der Natur - die Möglichkeiten des hierarchischen Aufbaus nutzen und diese mit der Vielfalt an Materialien kombinieren, die uns die Technik zur Verfügung stellt. Damit sollen neue oder ungewöhnliche Kombinationen von Materialeigenschaften und Funktionalitäten erreicht werden. Das wesentliche Konzept besteht darin, dass dieses Ziel durch die Strukturierung eines bestimmten Materials erreicht werden soll, anstatt seine chemische Zusammensetzung zu verändern ("Funktion durch Struktur“). Ein zweites Ziel ist es, die komplexen Zusammenhänge zwischen Form, Struktur und Funktion in Organen oder Pflanzenkörpern mit vorwiegend mechanischer Funktion zu erforschen und damit auch das Verständnis von lebenden Systemen zu verbessern.
Der Ansatz beschränkt nicht die Auswahl der Konstituenten, nur das Prinzip des hierarchischen Aufbaus über mehr als zwei Ebenen ist erforderlich. Die zu entwickelnden Materialien werden eine Kombination von Materialeigenschaften aufweisen, die mechanischer, akustischer, elektrischer, optischer oder thermischer Natur sein können. In allen Fällen wird die Eigenschaftskombination durch den hierarchischen Aufbau erreicht. Passive mechanische Eigenschaften (wie Steifigkeit, Festigkeit, Zähigkeit usw.) werden ebenso betrachtet wie aktive Eigenschaften in Zusammenhang mit Aktuation und Motilität.
Mehrere Herausforderungen müssen dabei bewältigt werden. Zunächst ist es erforderlich, einige natürliche Materialien als Beispiel dafür zu studieren, wie die Natur den hierarchischen Aufbau nutzt, um ungewöhnliche Materialeigenschaften zu erreichen. Des Weiteren müssen theoretische und experimentelle Werkzeuge entwickelt werden, um innerhalb der Materialwissenschaft die Problematik des hierarchischen Aufbaus zu bewältigen. Schließlich geht es noch darum, neue Ansätze für die Synthese und die Verarbeitung von hierarchischen Materialien zu entwickeln. Die Thematik des Programms gliedert sich daher in drei Schwerpunktbereiche: (1) Charakterisierung natürlicher hierarchischer Materialien zur Erstellung eines "Ideenpools“, (2) Erarbeitung von Prinzipien für Design, Simulation und Herstellung von hierarchischen Materialien mit vielversprechenden Eigenschaften, (3) Entwicklung von Herstellungsverfahren für entsprechende Materialsysteme.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Internationaler Bezug: Australien, Frankreich, Großbritannien, Indien, Österreich, Schweden, Schweiz, USA

Projekte

• Adhäsionsmechanismen in mikrostrukturierten, trockenen Haftsystemen mit hierarchischer Struktur (Antragsteller Arzt, Eduard ;  Kraus, Tobias )
• Bioinspirierte Bauteile für autonome Krafterzeugung und Bewegungen (Antragsteller Burgert, Ingo ;  Neinhuis, Christoph ;  Tauer, Klaus )
• Crustacean skeletal elements: variations in the constructional morphology at different hierarchical levels (Antragsteller Neugebauer, Jörg ;  Raabe, Dierk ;  Ziegler, Ph.D., Andreas )
• Einfluss von Wasser auf molekulare und supramolekulare Struktur und mechanische Eigenschaften von faserartigen proteinbasierten Materialien (Antragsteller Masic, Ph.D., Admir )
• Hierarchical anti-adhesive materials by mimicking insect traps (Antragsteller Gorb, Stanislav N. ;  Steinhart, Martin )
• Hierarchical composites by gluing of nano- and mesocrystals (Antragsteller Cölfen, Helmut ;  Fratzl, Peter ;  Schlaad, Helmut )
• Hierarchical simulation of biopolymers in contact with mineral surfaces (Antragstellerinnen / Antragsteller Peter, Christine ;  van der Vegt, Nico )
• Hierarchically structured porous ceramics and composites from nanocasting of plant cell walls (Antragsteller Paris, Oskar ;  Plank, Johann ;  Zollfrank, Cordt )
• Hierarchische Architektur der Schwamm-Spiculae: Bio-inspiriertes Assembly von multifunktionalen Strukturen durch biokatalytisch aktive und strukturleitendeProteine (Antragsteller Schröder, Heinz C. ;  Tremel, Wolfgang )
• Hierarchische Mikrostruktur als Ursache des Bruchwiderstands von Dentin und keramischen Verbundstrukturen (Antragstellerinnen / Antragsteller Fleck, Claudia ;  Müller, Wolf-Dieter ;  Zaslansky, Paul )
• Hierarchische Struktur-Funktions-Modellierung muskuloskelettaler mineralisierter Gewebe (Antragsteller Gerisch, Alf ;  Raum, Kay )
• Impact resistant hierarchically structured materials based on fruit walls and nut shells (Antragstellerinnen / Antragsteller Bührig-Polaczek, Andreas ;  Fleck, Claudia ;  Speck, Thomas )
• Nass, aber rutschfest (3): Bioinspirierte Haftstrukturen für feuchte und geflutete Oberflächen (Antragstellerinnen / Antragsteller Barnes, Jon P. ;  Butt, Hans-Jürgen ;  del Campo Bécares, Aránzazu ;  Fery, Andreas )
• Scientific coordination in the Priority Programme SPP 1420 "Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials" (Antragsteller Fratzl, Peter )
• Self-assembly of hierarchical magnetic nano- to microstructures: biogenic and biomimetic synthesis of magnetite chains (Antragsteller Faivre, Damien ;  Schüler, Dirk )
• Synthetische Zahnersatzmaterialien auf der Basis der hierarchischen Organisation von Haifischzähnen (Antragsteller Epple, Matthias ;  Raabe, Dierk )
• Verzweigte natürliche Faserverbünde für verbesserte technische Bauteile (Antragsteller Hufenbach, Werner ;  Milwich, Markus ;  Neinhuis, Christoph ;  Speck, Thomas )

• Sprecher: Professor Dr. Peter Fratzl