Materials World Network (MWN) for Particle-mediated Control Over Crystallization: From the Pre-nucleation Stage to the Final Crystal
Biomaterials
Experimental Condensed Matter Physics
Final Report Abstract
Das übergeordnete Ziel dieses deutsch-amerikanischen “Materials World Network” Projekts war, ein besseres Verständnis der Mesokristallbildung von der Nukleation bis hin zu Reifungsprozessen zu erlangen. Solche Vorgänge sind beispielsweise in der Biomineralisation (Bildung von Knochen oder Zähnen) relevant, wo Hybridmaterialien durch Aggregation kleiner Kristallite entstehen. Die dabei entstehende, komplex strukturierte aber einkristalline Struktur lässt sich u.a. durch die Orientierte Aggregation (OA) erklären. Die Arbeiten, die im Rahmen der drei deutschen Teilprojekte durchgeführt wurden, beschäftigten sich mit den Nukleationsmechanismen von Silber, Gold und Palladium Nanopartikeln und Eisen(oxyhydr)oxiden. Für die Untersuchung des Silbersystems wurde eine Methodik basierend auf Analytsicher Ultrazentrifugation entwickelt. Nach dem Auslösen der Nukleation wurden instantan 8 verschiedene Cluster identifiziert, die kleinsten Nukleationsspezies entsprechen. Zum ersten Mal konnten die UV/vis Spektren dieser Spezies bestimmt werden. Für Gold Nanopartikel konnte die Mesokristallbildung sowie die Fusion von Nanopartikeln zu Einkristallen durch Oriented Attachment detailliert studiert werden – auch in Kooperation mit dem amerikanischen Partner. In einem zweiten Teilprojekt wurden potentiometrische Titrationen weiterentwickelt, um in Kombination mit einer Vielzahl weiterer Analysen den Nukleationsmechanismus von Eisen(III)(oxyhydr)oxiden herauszuarbeiten. Es zeigte sich, dass die chemische Natur der Bindungen in den verschiedenen Vorläuferspezies die Phasenseparation bestimmt, was durch Zusatzstoffe beeinflusst werden kann. Zuletzt wurden in einem dritten Teilprojekt Molekulardynamiksimulationen benutzt, um OA von bestimmten Eisenoxiden zu untersuchen, nämlich von Hämatit-Partikeln untereinander. Durch Verwendung von Kugelkappen-Geometrien ließ sich eine Energielandschaft als Funktion von Kontaktflächen-Abstand und relativer Orientierung systematisch untersuchen. Die Coulomb- und van-der-Waals- Wechselwirkungen erzeugen Kräfte und Drehmomente, die eine orientierte Aggregation in vielen Fällen ermöglichen, wobei sie bei Abständen bis zu 5nm und Fehlorientierungswinkel von bis zu 40° relevante Größe haben. Insgesamt tragen die Ergebnisse des Projektes wesentlich zu einem erheblich verbesserten Verständnis der Mechanismen der Nukleation und Mesokristallbildung bei. In Zukunft kann dies insbesondere zur Entwicklung neuer, auf ihre Anwendungen maßgeschneiderte Materialien beitragen.
Publications
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High-resolution insights into the early stages of silver nucleation and growth. Faraday Discussions, 179, 59-77 (2015)
Völkle, C. M., Gebauer, D., & Cölfen, H.
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The role of chloride ions during the formation of akaganeite revisited. Minerals, 5(4), 778-787 (2015)
Scheck, J., Lemke, T., & Gebauer, D.
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Polyaspartic acid facilitates oxolation within iron (III) oxide prenucleation clusters and drives the formation of organic-inorganic composites. The Journal of Chemical Physics, 145(21), 211917 (2016)
Scheck, J., Drechsler, M., Ma, X., Stöckl, M. T., Konsek, J., Schwaderer, J. B., Stadler, S. M., De Yoreo, J. J, Gebauer, D.
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The molecular mechanism of iron (III) oxide nucleation. The Journal of Physical Chemistry Letters, 7(16), 3123-3130 (2016)
Scheck, J., Wu, B., Drechsler, M., Rosenberg, R., Van Driessche, A. E., Stawski, T. M., & Gebauer, D.
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Understanding the Phase Separation Mechanism: Iron(III) (Oxyhydr)oxide Systems for the Target-Oriented Design of Materials, G.I.T. Laboratory Journal 21 (31) (2017)
Scheck, J., Gebauer, D.
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Analytical band centrifugation revisited. European Biophysics Journal, 1-9 (2018)
Schneider, C. M., Cölfen, H.
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The band sedimentation experiment in Analytical Ultracentrifugation revisited. Analytical Chemistry (2018)
Schneider, C.M., Cölfen, H.
