Aktuelle Projekte

Archaeo- & Bioinspirierte Materialsynthese

Biotemplating

Unter Biotemplating wird die Verwendung von Biopolymerstrukturen und deren Umwandlung in anorganische Funktions- und Strukturmaterialien verstanden. Ein Arbeitsschwerpunkt liegt auf der Erzeugung biogener (Polymer-)Strukturen und ihrer Überführung in Kompositmaterialien für technische und biomedizinische Anwendungen. In verschiedenen Forschungsprojekten werden die beteiligten grundlegenden chemischen und physikalischen Transformationsprozesse auf allen Strukturhierarchieebenen erforscht.

  • bp-forschung-biotemplating„Hierarchische Strukturierung poröser keramischer Werkstoffe und Komposite durch Nanoabformung pflanzlicher Zellwände“
    in Kooperation mit Prof. Dr. Oskar Paris, Montanuniversität Leoben und Prof. Dr. Johann Plank, Technische Universität München.In diesem Projekt wird die Umwandlung der kompletten hierarchischen Struktur pflanzlicher Gewebe in anorganische Materialien auf allen Hierarchieebenen und deren neue multifunktionelle Eigenschaften untersucht. Dabei wurde bereits die vollständige Transformation der hierarchischen Struktur von Nadelhölzern in Siliziumdioxid-Monolithe mit einer chiralen Nanoporosität erreicht und umfassend beschrieben. Durch Delignifizierung, chemische Funktionalisierung, die Infiltration und Verfestigung von maßgeschneiderten Lösungen der Ausgangsstoffe und schließlich Kalzinierung konnte die detaillierte Nanostruktur der umgewandelten Hölzer beschrieben werden. Gegenwärtig werden die Eigenschaften der gebildeten hierarchischen Strukturen untersucht und die entwickelten Verfahren auf andere Materialsysteme ausgeweitet.Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Schwerpunktprogramm 1420.

    • Publikationen zum Projekt:
      Van Opdenbosch D, Fritz-Popovski G, Paris O, Zollfrank C (2011) Silica replication of the hierarchical structure of wood with nanometer precision. Journal of Materials Research, 26, 1193-1202. Link
      Van Opdenbosch D, Thielen M, Seidel R, Fritz-Popovski G, Fey T, Paris O, Speck T, Zollfrank C (2011) The pomelo peel and derived nanoreplica silica gradient foams. Bioinspired, Biomimetic and Nanobiomaterials, 10.1680/bbn.11.00013 Link
  • „Mikrostrukturelles Materialdesign mit nanotubulären Metalloxiden auf Basis des Biotemplatings mit nanokristallinen Cellulose-Architekturen“
    In Kooperation mit Prof. Dr. Robin Klupp Taylor, Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.In diesem Projekt wird ein neuer Ansatz für das Design und die Herstellung hierarchischer Materialien durch „Biotemplating“ von Metallen und Metalloxiden angewandt. Durch eine modifizierte Technologie werden etablierte softlithographische Verfahren (nach G. Whitesides) mit Grenzflächeninteraktionen kombiniert, die durch Selbstassemblierungsprozesse getrieben werden. Unsere Arbeiten werden exemplarisch an einem Gold-/Kobaltoxid-Nanodrahtsystem für Energiespeicherkomponenten durchgeführt. In dem Projekt kommt ein Mikrokontact-Drucker (Microcontact-Printer, µCP) mit UV- oder temperaturinduzierter Nanoprägelithographie (NIL) zum Einsatz. Die entwickelten Strategien und Materialien lassen Beiträge zur fortschrittlichen Elektrodenanordnungen (Beispielsweise Elektroden von Lithium-Ionenbatterie) zusätzlich zu anderen funktionellen Dünnfilmtechnologien erwarten.Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Normalverfahren.

    • Publikationen zum Projekt:
      Gruber S, Zollfrank C (2011) Noble metal nanoparticles on biotemplated nanowires. Bioinspired, Biomimetic and Nanobiomaterials, doi: 10.1680/bbn.11.00010, im Druck. Link
      Gruber S, Klupp Taylor RN, Scheel H, Greil P, Zollfrank C (2011) Cellulose-biotemplated silica nanowires coated with a dense gold nanoparticle layer. Materials Chemistry and Physics, 129, 19-22. Link

Bioinspirierte Materialsynthese

In der bioinspirierten Materialsynthese werden neue Synthesewege und Verfahren in Anlehnung an natürliche Vorgänge oder unter Nutzung biologischer Prinzipien entwickelt. Ein Beispiel hierfür ist die Generierung von komplexen Polysaccharidstrukturen über Phototaxis der Mikroalge Porphyridium purpureum. Durch Einstrahlung von Licht durch eine Maske in beimpfte Kultivierungsmedien ordnen sich die Mikroalgen entsprechend des vorgegebenen Musters an. Die Strukturen werden anschließend durch Mineralisation in anorganische Funktionsmaterialien überführt.

  • Publikation zum Projekt:
    Zollfrank C, Cromme P, Rauch MW, Scheel H, Kostova MH, Gutbrod K, Gruber S, Van Opdenbosch D (2011) Biotemplating of inorganic functional materials from polysaccharides. Bioinspired, Biomimetic and Nanobiomaterials, doi: 10.1680/bbn.11.00002, im Druck. Link

Archaeoinspirierte Materialsynthese

Bis zur Industrialisierung vor rund 150 Jahren wurden Kleidung, Medikamente, Farben, Klebstoffe und vieles mehr ausschließlich aus pflanzlichen und tierischen Produkten hergestellt. So wurde beispielsweise Birkenpech als Kaugummi, Klebstoff für Pfeilspitzen und Äxte sowie Dichtmittel für Einbäume und Dächer verwendet. Der ehemals begehrte Rohstoff hat heutzutage keine Bedeutung mehr und fällt in der Funierholz- und Papierindustrie als Abfallprodukt an.

Am Institut für Bigene Polymere wird der alte Verwendungszweck nun wieder aufgegriffen und an einem Übergang von einem Abfallstoff in einen neuen Rohstoff für marktreife, biobasierte Schmelzklebstoffe mit maßgeschneiderten Klebeeigenschaften geforscht. Es werden die bisher nur aus archäologischer Sicht betriebenen Forschungen mit der erstmaligen Beschreibung der relevanten mechanischen und chemisch-physikalischen Eigenschaften erweitert. Neben den Materialkennwerten wie mechanische Festigkeit, Fließverhalten und Klebstoffverhalten wird die Auswirkug von der geziehlten Beimischung von Additiven untersucht.

Bioinspirierte Materialchemie

Research work in the field of Bioinspired Materials Chemistry combines a multidisciplinary approach for the development of novel biopolymers. Naturally occurring processes of mummification reveal that biological tissue can be preserved due to the chemical reaction of the animal tissue biopolymers (i.e. proteins) with plant derived biopolymers (i.e. polysaccharides). The research is inspired by naturally occurring reactions between highly and specifically functionalised polysaccharides and proteins during mummification. The aim is to develop specifically functionalised polysaccharides, which will act as a versatile synthetic tool for the generation of covalently bound polysaccharide/protein biopolymers. This will result in a novel class of biogenic structural and functional polymers comprising polysaccharides and proteins for a variety of innovative applications.

Biokunststoffe

Das Arbeitsgebiet Biokunststoffe umfasst die Synthese und Charakterisierung neuer Polymere, die auf Basis nachwachsender Rohstoffen erzeugt werden. Dabei kommen Monomere aus verschiedenen Rohstoffquellen zum Einsatz, aber auch Biopolymere, die aus natürlichen Quellen isoliert und modifiziert werden. In einem aktuellen Projekt wird die Ausrüstung von Materialoberflächen (Kunststoffe, Metalle, Keramik) mit Übergangsmetallsäuren (MoO3) untersucht, die eine außerordentliche antimikrobielle Wirksamkeit zeigen. In zukünftigen Arbeiten sollen vor allem auch die biologische Abbaubarkeit von Biokunststoffen und die daran beteiligten chemischen Prozesse untersucht werden, um ihr Einsatzspektrum zu erweitern.