Bioinspired design of functional optical structures
Final Report Abstract
In diesem Forschungsvorhaben wurden erstmalig hierarchisch strukturierte oxidische und nicht-oxidische Leuchtstoffmaterialien mit Hilfe der Methodik des Biotemplatings hergestellt und untersucht. Biologische Prozesse zur Generierung anorganischer Materialien (Biominerale) sind durch die Evolution optimiert, um multifunktionelle Materialien mit passgenauen Eigenschaften für den jeweiligen Organismus zu erzeugen. Diese perfekt abgestimmte Materialgenese hat in den letzten Jahren umfangreiche Forschungsarbeiten im Grenzgebiet zwischen Biologie und Chemie zusammen mit den Materialwissenschaften stimuliert, um neuartige, bioinspirierte Werkstoffe zu generieren. Die Mineralisation biologischer Hartgewebe und der Biominerale wird in der Natur durch Biopolymere gesteuert, in erster Linie durch Proteine und Polysaccharide. In neueren synthetischen Ansätzen wird versucht, eine definierte anorganische Phasenbildung und gerichtete Kristallisation auf der Nanoskala über Proteine und Polysaccharide zu steuern sowie an selbst-organisierten Oberflächen oder in begrenzten Reaktionsräumen durchzuführen (Bioinspirierte Materialsynthese). Um größere zwei- und dreidimensionale hierarchisch strukturierte Werkstoffe zu erhalten, wurde das Konzept auf die Nutzung biologischer Materialien als Templat/ Strukturvorlage erweitert. Bei dem „Biotemplating“ genannten Ansatz wird ein biologisches Material mit Hilfe anorganischer oder keramischer Prozesstechnologie unter Erhalt der originären Ausgangsstruktur in einen anorganischen Werkstoff überführt. Die geometrische Form und chemische Zusammensetzung der Biotemplats können die Rate und den Ort des beteiligten Ionenflusses derart beeinflussen, so dass eine Kontrolle über den Synthesetort aber vor allem der erhaltenen Struktur ausgeübt werden kann. Der multiskalige Strukturaufbau hat gegenüber konventionellen Techniken Vorteile in Bezug auf die Verteilung und Orientierung der Leuchtstoffpartikel, was Verbesserungen in der Auflösung in bildgebenden Verfahren sowie bei der Anwendung von Speicherleuchtstoffen in darstellenden optischen Verfahren hat. In dem Projekt wurden pflanzliche Gewebe Holz als dreidimensionales Strukturtemplat für deren Überführung in eine Reihe optischer Funktionsmaterialien untersucht. Dabei kommt Holz als Ausgangsstruktur mit seiner uniaxial gerichteten Porenmorphologie eine besondere Bedeutung zu, da hierbei die Zellwand die Größe der Leuchtstoffpartikel der synthetisierten Materialien auf den Submikrometerbereich beschränkt und diese analog der Holzstruktur abgebildet werden, so dass ein hochgradig anisotropes Materialsystem entsteht. Es wurde neue Syntheseverfahren für die Umsetzung des Biotemplats Holz in den roten Leuchtstoff auf Basis des Eu3+-dotierten Y2O3 für darstellende optische Verfahren (Displaytechnologie), einen Speicherleuchtstoff aus SrAl2O4 dotiert mit Eu2+ als nachleuchtendes Material (Sicherheitstechnologie) sowie ein nicht-oxidisches System auf Basis des Erdalkalihalogenids BaFBr dotiert mit Eu2+ als Röntgenspeicherleuchtstoff entwickelt. Vor allem für die Konvertierung in das Erdalkalihalogenid (BaFBr) wurden spezielle Syntheserouten entwickelt, die auch für neue Pulvermethoden einsetzbar sind. An diesem System konnte dessen Eignung für bildgebende Verfahren über die photostimulierte Lumineszenz (PSL) als Bildplattensystem in der Diagnostik gezeigt werden. Ein wesentlicher Fortschritt, der im Rahmen dieses Projekts im Blick auf die Ausgangslage erzielt wurden, ist die Etablierung von Syntheseverfahren für die Herstellung hierarchisch strukturierter Leuchtstoffe aus dem Biotemplat Holz, die zuvor in der Form nicht möglich war. Mit diesen Verfahren ist es möglich, Positivreplika der Holzstruktur zu erhalten. Das bedeutet, dass hier die Originalstruktur des Biotemplats in den keramischen Werkstoff überführt wird. Um ein ähnliches Ziel zu erreichen wäre es denkbar, das Holz und insbesondere die Holzzellwand mit Leuchtstoffnanopartikeln zu infiltrieren. Der zugängliche Porenraum im Holz liegt in der Größenordnung von zwei Nanometern (2 nm), so dass diese Vorgehensweise nicht erfolgversprechend ist. Zudem zeigen nanostrukturierte Leuchtstoffe oft Auslöschungsphänomene aufgrund von Quanteffekten. Deshalb wurde in diesem Projekt eine denovo-Synthese der Leuchtstoffpartikel (analog einer bottom-up-Strategie) entwickelt. Dafür wurden die Holztemplate zunächst gereinigt und chemisch behandelt, um niedermolekulare lösliche organische und anorganische Verbindungen aus dem Templat zu entfernen. Als Ergebnis erhält man den Biopolymerverbund bestehend aus Lignin, Cellulose und Polyosen, wobei die grundlegende Holzstruktur nicht verändert wird. Die gezeigten Möglichkeiten, um komplex strukturierte anorganische Funktionsmaterialien herzustellen (periodische, hierarchische oder fraktale), kann der Ausgangspunkt für die Synthese von multifunktionalen Werkstoffen über ein neuartiges Materialdesign sein. Mit der vorliegenden Arbeit wurden primär Positivreplika des Biotemplates Holz erhalten. In zukünftigen Arbeiten soll versucht werden, Negativreplika der Biostrukturen zu erzeugen. Dazu würden nanoskalige Leuchtstoffpartikel in vernetzbare präkeramische Polymermatrizes (Polysiloxane) eingebracht, die dann in die Zelllumina des Holzes infiltriert werden. Mit dieser Methodik könnte ein neuartiges Materialdesign für Röntgenspeicherleuchtstoffe zur die Herstellung von Bildplattensystemen für diagnostische Anwendungen etabliert werden, die aufgrund der gerichteten Strukturierung eine geringere einzusetzende Röntgendosis sowie aufgrund der Korngrößen eine erhöhte Auflösung erwarten lassen.
Publications
- (2009) Bioinspired design of SrAl2O4:Eu phosphors. Advanced Functional Materials, 19, 599-603
Kostova MH, Zollfrank C, Batentschuk M, Goetz-Neunhoffer F, Winnacker A, Greil P
- (2010) Biotemplating of BaFBr:Eu2+ for X-ray storage phosphor applications. Materials Chemistry and Physics, 123, 166-171
Kostova MH, Batentschuk M, Goetz-Neunhoeffer F, Gruber S, Winnacker A, Greil P, Zollfrank C
- (2010) Replication of wood biomorphous nanocrystalline Y2O3:Eu3+ phosphor materials. Wood Science and Technology, 44, 547-560
Van Opdenbosch D, Kostova MH, Gruber S, Krolikowski S, Greil P, Zollfrank C
