Multifunktionelle geschichtete Magnetit Komposite

• Antragsteller: Professor Dr. Helmut Cölfen (†); Dr. Damien Faivre; Dr. Vitaliy Pipich; Professor Dr. Dirk Zahn
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 210420930

Das Ziel dieses Projektes ist es zu untersuchen, ob es möglich ist die vorteilhaften Eigenschaften von 3 Biomineralien in ein und demselben Material zu kombinieren, indem ein bioinspirierter Ansatz gewählt wird. Auf diese Art wollen wir untersuchen, ob es möglich ist die Bruchfestigkeit von Perlmutt mit der Abriebsfestigkeit von Napfschneckenzähnen und der Ausrichtung magnetischer Dipole in magnetotaktischen Bakterien im selben Material zu kombinieren. Wir verwenden demineralisierte Perlmuttmatrix als Gerüst, füllen diese mit Gelatinesol, ermöglichen die Gelierung der Gelatine durch Temperaturerniedrigung, infiltrieren das Gel mit Eisenionen und mineralisieren am Schluss Magnetit Nanopartikel innerhalb der Gel Phase. So können Mineralisationsgrade von bis zu 70 Gew.-% erreicht werden, genau wie in den natürlichen Napfschneckenzähnen. Dies ist sowohl mit superparamagnetischen, als auch ferrimagnetischen Magnetit Nanopartikeln über Größenkontrolle möglich. Orientierung der magnetischen Dipole soll durch Mineralisation innerhalb eines Magnetfeldes erreicht werden. Neben der Materialsynthese fokussiert sich dieses Projekt auf fortschrittliche Strukturcharakterisierung des Hybridmaterials. Hierfür wird Neutronenkleinwinkelstreuung mit Kontrastvariation eingesetzt. Dies erlaubt selektive Charakterisierung der einzelnen Komponenten im Hybridmaterial nämlich der Struktur von Chitin, Gelatine und Magnetit. Diese Strukturinformation wird mit der verglichen, die mit derselben Methode für die Biomineral Vorbilder Perlmutt und Napfschneckenzähne erhalten werden. Korrelation der Struktureigenschaften mit den mechanischen Eigenschaften (Abriebfestigkeit, Bruchfestigkeit, Härte, E-Modul etc.) erlaubt die Bestimmung der Struktur-Eigenschaftsbeziehungen sowie die Optimierung der Struktur für verbesserte mechanische Eigenschaften. Bisher konnte bereits 25 % des magnetischen Feldes in magnetotaktischen Bakterien in einem Material erreicht werden, welches die Bruchfestigkeit von Perlmutt übertrifft. Um die Härte und Abriebsfestigkeit der Napfschneckenzähne zu erreichen ist noch eine höhere Mineralbeladung mit einem Füllmaterial notwendig. Wir werden die Biomineralien Silica, Calciumcarbonat und Calciumphosphat für diesen Zweck einsetzen. Diese Untersuchungen werden durch den dritten Projektfokus unterstützt; dem Molecular Modelling der verschiedenen Aspekte der Ionenbindung an die organische Matrix, Strukturänderungen der organischen Matrix durch Ionenassoziation, Wechselwirkungen zwischen organischen und anorganischen Komponenten, Clusterbildung sowie Magnetit Nukleation und Wachstum und mechanische Eigenschaften. Detaillierter Input aus der Strukturcharakterisierung ist wichtig die Ergebnisse der Modellierung zu testen und letztendlich molekulares Verständnis der zugrundeliegenden Vorgänge zu erreichen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1569: Erzeugung multifunktioneller anorganischer Materialien durch molekulare Bionik
• Mitverantwortlich: Dr. Dietmar Schwahn