A scale-bridging Simulation Approach to an atomistic Understanding of Apatite-Protein Composites: Nucleation Mechanisms, Structure and Mechanical Properties

• Applicant: Professor Dr. Dirk Zahn
• Subject Area: Theoretical Chemistry: Electronic Structure, Dynamics, Simulation
• Term: from 2011 to 2015
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 202938935

Das Forschungsprojekt beruht auf einem skalenübergreifenden Konzept, dessen Entwicklung die detaillierte Untersuchung atomarer Prozesse ermöglichen soll, um die einzigartigen Strukturen und mechanischen Eigenschaften von Apatit-Protein Kompositen zu verstehen. Die atomare Struktur solch komplexer Biokomposite ist nur teilweise aufgeklärt. Daher sollen im ersten Schritt (i) des Vorhabens realitätsnahe Szenarien der Keimbildung untersucht werden. Die Komplexität und Detailgenauigkeit der Modelle soll dabei sukzessive gesteigert werden. Die Bandbreite der so ermöglichten Einblicke umfasst die Assoziation einzelner Ionen, die Mechanismen der Motifbildung, Reifung und der Selbstorganisation von Nanokristallen – einschließlich und insbesondere des Wechselspiels dieser Vorgänge mit wachstumssteuernden Molekülen. Auf dieser Grundlage sollen im zweiten Schritt (ii) verlässliche Aufbauregeln für scale-up Modelle geschaffen werden. Diese können mehrere Millionen Atome umfassen und somit eine realitätsnahe Untersuchung von Apatit-Kollagen (biomimetische Komposite, Zahnbein) und Apatit-Amelogenin (Zahnschmelz) Kompositen auf der 10 100 nm-Skala ermöglichen. Damit soll der Weg zu (iii) Simulationsmodellen bereitet werden, welche grundsätzliche Aspekte der hierarchischen Struktur und den besonderen mechanischen Eigenschaften von Zahnschmelz und bein zugänglich machen. Auf dieser Grundlage sollen detaillierte Untersuchungen zu den Mechanismen von Verformungs- und Bruchprozessen durchgeführt werden. Übergeordnetes Ziel ist dabei das atomistische Verständnis dieser Biokomposite und deren Materialeigenschaften wie Härte, Plastizität, Zähigkeit und der Möglichkeit zur Selbstheilung.

• DFG Programme: Research Grants