SPP 1569:  Erzeugung multifunktioneller anorganischer Materialien durch molekulare Bionik

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 172543101

Anorganische Funktionsmaterialien spielen innerhalb der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts, etwa im Bereich der Informationstechnik oder der Energieerzeugung und -speicherung, eine zentrale Rolle. Dabei sind komplex strukturierte multifunktionelle Materialien auf rein anorganischer Basis sowie im Verbund mit organischen Anteilen zur Weiterentwicklung dieser Technologien von wesentlicher Bedeutung. Die Erzeugung solcher Materialien mit definierter Struktur und Stöchiometrie über die konventionelle Prozesstechnik, die in der Regel bei erhöhten Temperaturen und/oder Drücken sowie unter erheblichem verfahrenstechnischen Aufwand abläuft, stößt hierbei jedoch an ihre Grenzen. Demgemäß ist die Suche nach neuen Verfahren, die eine Generierung von diesen Materialien bei Umgebungsbedingungen und mit reduziertem prozesstechnischen Aufwand ermöglichen, derzeit Gegenstand weltweiter Forschungsanstrengungen. Für die Bildung von komplex strukturierten anorganischen Festkörpern bei Umgebungsbedingungen liefert die belebte Natur eindrucksvolle Beispiele. So entstehen durch Biomineralisationsprozesse Stoffe wie etwa Calciumphosphat oder -carbonat, deren Bildung genetisch determiniert ist und durch die Wechselwirkung mit Biomolekülen gesteuert wird, wobei unter anderem Selbstorganisationsprozesse eine Rolle spielen. Die hierdurch entstehenden anorganischen Materialien besitzen multifunktionelle Eigenschaften, wobei deren Eigenschaftsspektrum durch den Einbau von bioorganischen Komponenten erweitert wird. Wenngleich viele technisch relevante Materialien bei diesen natürlichen Prozessen keine Rolle spielen, ergeben sich hieraus unmittelbar aussichtsreiche Perspektiven zur Generierung neuer anorganischer Funktionsmaterialien durch spezifische molekulare Interaktionen zwischen bioorganischen und anorganischen Stoffen. Das Hauptziel dieses Schwerpunktprogramms ist daher die Übertragung von Prinzipien der Biomineralisation auf die Generierung von anorganischen Funktionsmaterialien und von deren Hybriden mit bioorganischen Anteilen. Zur Erreichung dieses Ziels werden Arbeiten durchgeführt (1) zur In-vitro- und In-vivo-Synthese anorganischer Funktionsmaterialien und deren Hybride mit bioorganischen Molekülen in Form von Schichten oder 3D-Strukturen, (2) zur Charakterisierung der Bildungsprozesse und der Struktur der Materialien sowie (3) zur Bestimmung und zum Design von deren physikalischen und chemischen Eigenschaften. Diese experimentellen Untersuchungen werden weiterhin durch Arbeiten zur Modellierung der Materialbildung, -struktur und -eigenschaften begleitet.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme

Projekte

• Aufbau multidimensionaler magnetischer Strukturen mittels eines erkenntnisbasierten biomimetischen Ansatzes unterstützt durch atomistische Modellierung - 3. Phase (Antragsteller Colombi Ciacchi, Lucio ;  Maas, Michael )
• Bakterielle Magnetosomen: Molekulare Modellierung der Magnetitbiomineralisation und Herstellung von nano-magnetischen Hybridmaterialien (Antragsteller Schüler, Dirk )
• Bio-anorganische Hybrid-Membranen mit Nanoporositäts-Kontrolle durch genetisch adaptierte virale Dichtringe (Antragstellerinnen / Antragsteller Gliemann, Hartmut ;  Marti, Othmar ;  Wege, Christina )
• Diatomeen Nanobiotechnologie: Konstruktionsprinzipien für die Erhöhung der katalytischen Aktivitäten von auf Diatomeen-Biosilica immobilisierten Enzymen und Metall-Nanopartikeln (Antragsteller Brunner, Eike ;  Kröger, Nils )
• Generation and design of bifunctional bacteriophages and peptides: integrating organics and inorganics into multifunctional materials (Antragsteller Hauer, Bernhard )
• Generation of composites from borides with tuneable electrical conductivities using peptides optimized by genetic engineering; characterization of the bio-solid interactions by modelling and AFM (Antragstellerinnen / Antragsteller Albert, Barbara ;  Berger, Robert ;  Stark, Robert ;  van der Vegt, Nico )
• Genetically controlled self-assembly of inorganic-bioorganic hybrid structures: From sponge genes to layered functional materials (Antragsteller Tremel, Wolfgang )
• Genetically controlled self-assembly of inorganic-bioorganic hybrid structures: From sponge genes to layered functional materials (Antragsteller Wiens, Matthias P. )
• Genetisch optimierte M13 Phagen als funktionalisierte biologische Template für die Herstellung bio/anorganischer nanostukturierter Materialien (Antragsteller van Aken, Peter A. ;  Bill, Joachim ;  Hauer, Bernhard ;  Schimmel, Thomas )
• Genetisch optimierte Tabakmosaikviren als Gerüste für die in vitro Herstellung von Halbleiter-Bio/Metalloxid-nanostrukturierten Architekturen (Antragstellerinnen / Antragsteller Bill, Joachim ;  Eiben, Sabine ;  Schneider, Jörg J. )
• Hochauflösende Niederspannungstransmissionselektronenmikroskopie zur Abbildung des Prozesses der Mineralisation an der TMV/anorganischen Grenzfläche: Zum Verständnis der mechanischen Eigenschaften von Bio/anorganischen Mehrfachschichtsystemen (Antragstellerinnen / Antragsteller Bill, Joachim ;  Kaiser, Ute ;  Wege, Christina )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Bill, Joachim )
• Multifunktionelle geschichtete Magnetit Komposite (Antragsteller Cölfen, Helmut ;  Faivre, Damien ;  Pipich, Vitaliy ;  Zahn, Dirk )
• SpiderMAEN: Recombinant Spider Silk-based Hybrid Materials for Advanced Energy Technology (Antragsteller Scheibel, Thomas ;  Taubert, Andreas )
• Tailoring cementitious materials with genetically, engineered microbial exopolysaccharides, a biologically inspired approach towards high-performance construction materials (Antragsteller Plank, Johann ;  Sieber, Volker )

• Sprecher: Professor Dr. Joachim Bill