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Biological Materials

In der Abteilung beschäftigen wir uns mit der Charakterisierung von Struktur-Funktions-Zusammenhängen in biologische Materialien auf der Mikro- bzw. Nanostrukturebene. Ein Schwerpunkt ist es die außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften dieser hierarchisch strukturierten Materialien, die sich ständig wechselnden äußeren Bedingungen anpassen, mit der lokalen chemischen Zusammensetzung der Materialien zu korrelieren. Das Exoskelett der Crustaceen, die Kutikula und Pflanzen und deren Zellwände sind zwei Beispiele an denen physikalische und chemisch-physikalische Aspekten von biologischen Kompositmaterialien untersucht werden. Die Charakterisierung der hierarchischen Struktur biologischer Materialien auf mikroskopischer und nanoskopischer Ebene erfordert den Einsatz von neuen Techniken. Rasterkraftmikroskopie wird nicht nur eingesetzt, um die Morphologie vom Mikrometerbereich bis hinab zur molekularen Skala dreidimensional abzubilden sondern auch um die lokalen mechanischen Eigenschaften der komplexen mesoskaligen Materialien zu untersuchen. Die konfokale Raman-Mikroskopie (Fig. 1) erlaubt in-situ die Verteilung und Orientierung der von organischen und anorganischen Komponenten in natürlichen und bio-inspirierten Nanokompositen mit hoher räumlicher Auflösung abzubilden und kann so erheblich zum Verständnis der Struktur und Funktionsbeziehungen beitragen. Die Kombination dieser Methoden ermöglicht es, die chemische Zusammensetzung mit dem strukturellen Aufbau der Probe und ihren mechanischen Eigenschaften zu korrelieren. Aus den Erkenntnissen über den Zusammenhang zwischen chemischen Aufbau, Struktur und den Materialeigenschaften sollen neue biomimetische Konzeption erarbeitet und für die Entwicklung neuer Materialien eingesetzt werden.
 
Einfluss der chemischen Zusammensetzung auf die mechanische Eigenschaften von mineralisiertem Geweben

Die Kuticula ist eines von unzähligen Beispielen für natürliche Nanokomposite, bei denen organische und anorganische Komponenten unter Nutzung ihrer jeweils vorteilhaften Eigenschaften zusammengefügt werden. Sie bildet Skelettelemente deren physikalischen Eigenschaften ihrer Funktion angepasst sind und alle die sogenannte “Twisted Plywood Struktur“ die durch Stapel planar angeordneter und komplex strukturierter Chitin–Proteinfasern gebildet werden zeigen. Ein großer Teil des organischen Materials in der Kutikula ist durch anorganische Nanopartikel verstärkt. Während Mineralteilchen für die erforderliche Steifigkeit sorgen, gewährleisten organische Bestandteile wie beispielsweise Chitin und Proteine eine ausreichende Zähigkeit und kontrollieren gleichzeitig das Wachstum der Mineralkristalle. Diese Materialkombination macht Kutikula zu einem hierarchisch organisierten Kompositmaterial mit hoher funktioneller Anpassungsfähigkeit. Die vielfältigen, physikalischen Eigenschaften der Kutikula müssen durch strukturelle und chemische Veränderungen auf einer oder mehreren hierarchischen Ebenen verursacht sein (Fig. 2). In einem Forscherverbund im Rahmen des DFG Schwerpunkts 1420 „“, untersuchen wir, wie und auf welchen hierarchischen Ebenen strukturelle und chemische Veränderungen zu einer Diversifizierung der physikalischen Eigenschaften biologischen Verbundmaterialien führen können.

Struktur, Morphologie und mechanische Eigenschaften von Cellulosefasern

Pflanzenzellwände sind Nanokomposite aus Cellulosefibrillen eingebettet in eine Matrix aus Hemicellulosen, Pektin und Lignin. Um unter unterschiedlichen Umweltbedingungen zu überleben und eine Vielzahl an verschiedenen Funktionen (z.B. mechanische Stabilität, Wasserleitung,...) zu erfüllen wird die Anordnung der Zellwandpolymere auf verschiedenen hierarchischen Levels optimiert. Daher existiert ein großer Pool an verschiedenen Zellwänden mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften und Funktionen (Fig. 3). Das Verständnis der natürlichen Nanokomposite und ihrer Struktur-Funktionsbeziehungen birgt Potential Ideen für technische Lösungen zu adaptieren. Außerdem können Pflanzen-Biopolymere zur Herstellung umweltfreundlicher Nanokompositen mit unterschiedlichen Funktionen herangezogen werden.