Mechanische Charakterisierung nanoskaliger Grenzflächen in Biokompositmaterialien.

• Antragsteller: Dr. Igor Zlotnikov
• Fachliche Zuordnung: Polymere und biogene Werkstoffe und darauf basierende Verbundwerkstoffe ; Materialien und Werkstoffe der Sinterprozesse und der generativen Fertigungsverfahren ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443727504

Die Identifizierung der Eigenschafts-Struktur-Funktions-Beziehungen in mineralisch-organischen Biokompositen ist eine der größten Herausforderungen in der Biomaterialwissenschaft, die Forschungsanstrengungen in den Bereichen Biologie, Chemie, Physik und Ingenieurwesen umfasst. Das fächerübergreifende Interesse an dem Thema beruht auf der Effizienz der biochemischen Maschinerie, die für die Bildung biotischer Mineralien verantwortlich ist, der unkonventionellen Funktionsfähigkeit dieser Gewebe und gleichzeitig der Eleganz und sogar Einfachheit der darin enthaltenen „technischen“ Lösungen der Organismen. Insbesondere gelingt es der Natur, komplexe hierarchische Biokomposite mit überlegenen mechanischen Eigenschaften zu bilden, die den Tieren eine hohe Steifheit und Zähigkeit verleihen und teilweise an funktionelle Anforderungen angepasst sind. In stark mineralisierten Geweben werden die steifen und harten Mineralbausteine auf allen Hierarchieebenen durch ultradünne, nachgiebige, weiche und viskoelastische organische Grenzflächen miteinander verbunden, die teilweise nur wenige Nanometer dick sind. Obwohl diese Grenzflächen nur einen geringen Volumenanteil der Biokomposite ausmachen, wird angenommen, dass die Leistung des gesamten Gewebes wesentlich von ihren mechanischen Eigenschaften beeinflusst wird. Unser Verständnis des Beitrags dieser organischen Grenzflächen zur mechanischen Funktionalität der gesamten Biokomposit-Baugruppen ist jedoch begrenzt, vor allem, weil wir nicht in der Lage sind, ihre nanomechanischen Eigenschaften zu beurteilen. Der vorliegende Antrag umfasst daher folgendes Forschungsziel: Entwicklung von experimentell-numerischen und -analytischen Strategien zur Charakterisierung der viskoelastischen Eigenschaften organischer Grenzflächen in Biokomposit-Architekturen und deren Korrelation mit dem frequenz- und feuchtigkeitsabhängigen Verhalten des Gewebes als Ganzes. Wir schlagen vor, die laminaren mineralorganischen Architekturen von den drei häufigsten, in lebenden Organismen vorkommenden Mineralien, zu untersuchen: Kieselsäure, Aragonit und Calcit. Die Untersuchungen werden durch Adaption modernster mechanischer Charakterisierungstechniken im Nanometermaßstab durchgeführt und durch numerische und theoretische Analysen unterstützt. Die Arbeitsgruppen von Igor Zlotnikov an der TU Dresden (Expertise in struktureller und nanomechanischer Charakterisierung funktionaler Biomaterialien) und von Benny Bar-On an der Ben-Gurion-Universität in Israel (Expertise in mehrskaliger Mechanik) verfügen über geeignete und ergänzende Fähigkeiten und Kompetenzen sowie die notwendige Ausrüstung, um dieses Projekt erfolgreich abzuschließen. Das Ergebnis dieser Forschung wird es uns nicht nur ermöglichen, eine bedeutende Frage auf dem Gebiet der biologischen Materialien zu beantworten, sondern es wird erwartet, dass das entwickelte Framework einen fundamentalen Einfluss auf zukünftige Untersuchungen und Gestaltung klassischer Materialsysteme hat.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Israel
• ausländischer Mitantragsteller: Professor Dr. Benny Bar-On, Ph.D.