Multifunctional Layered Magnetite Composites

Description

In natürlichen organisch-anorganischen Verbundmaterialien wie Perlmutt werden steife und harte, aber brüchige anorganische Kristalle durch weiche und verformbare organische Materialien zusammengehalten. Durch eine ausgeklügelte hierarchische Strukturierung und eine gut kontrollierte Kopplung an der Grenzfläche zwischen den beiden Komponenten kombinieren diese biologischen Strukturen beides: Steifigkeit und Bruchfestigkeit. Ein weiteres Beispiel sind die Zähne von Napfschnecken (chitons) die durch ein Hybriddesign von Magnetit Nanopartikeln, die in eine Protein-Polysaccharid Matrix eingebettet sind extrem abriebsfest sind. Inspiriert durch diese Konzepte des Materialaufbaus wollen wir biomimetische Kompositstrukturen entwickeln, die auf der unlöslichen Matrix von natürlichem Perlmutt als Gerüstsubstanz beruhen, die mit einem Gelatinegel als Kopie des natürlichen Seide Hydrogels gefüllt wird. In dieser Matrix wollen wir mit und ohne Kontrolle von Nukleatorpeptiden Magnetit Nanopartikel synthetisieren, die aus Studien von Proteinen abgeleitet sind, die in magnetotaktischen Bakterien  für die Magnetitsynthese verantwortlich sind, um einen Vorteil aus der genetischen Kontrolle der Magnetitsynthese in diesen Organismen zu ziehen. Mit dem Ziel eines hohen Mineralanteils und durch die Synthese in einem Magnetfeld sollen die Magnetit Nanopartikel gegenseitig ausgerichtet werden, was abhängig von der Partikelgröße zu einer Kopplung der magnetischen Dipole führt. Dies würde eine dreidimensionale Kopie der Magnetit Nanopartikelketten in magnetotaktischen Bakterien sein. Gleichzeitig könnte die perlmuttähnliche Struktur kombiniert mit der strukturellen Kopie der Napfschneckenzähne zu bruchfesten und gleichzeitig abriebsfesten Materialien führen, die aufgrund der Kopplung der magnetischen Dipole zusätzliche interessante magnetischen Eigenschaften aufweisen. Durch die über die Polymerkonzentration einstellbare Netzwerkstruktur des Gelatinegels und den Magnetitgehalt hoffen wir die mechanischen Eigenschaften des Kompositmaterials zu kontrollieren. Wir hoffen, ein Material zu entwickeln, welches durch strukturelles Design die besten Eigenschaften von drei verschiedenen biomineralien kombiniert: Die Bruchfestigkeit von Perlmutt, die Abriebsfestigkeit der Napfschneckenzähne und die magnetischen Eigenschaften der gegenseitig ausgerichteten Magnetit Nanopartikel in magnetotaktischen Bakterien. Die Struktur und Eigenschaften dieser Materialien sollen neben anderen Methoden durch Neutronen- und Röntgenstreuung charakterisiert werden und das strukturelle Materialdesign durch Computer Modellierung unterstützt werden.

Institutions
  • FB Chemie
Funding sources
NameProject no.DescriptionPeriod
Schwerpunktprogramm408/12no information
Further information
Period: 14.12.2011 – 13.12.2013