Multiskalige mechanische Analyse von biomineralisierten Strukturen mit akustischen und Lichtstreuungsmethoden

• Antragsteller: Dr. Andrey Sotnikov; Dr. Igor Zlotnikov
• Fachliche Zuordnung: Thermodynamik und Kinetik sowie Eigenschaften der Phasen und Gefüge von Werkstoffen ; Mechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 507977007

Lebende Organismen bilden komplexe mineralische Verbundarchitekturen, die eine Vielzahl wesentlicher Funktionen erfüllen sollen. So werden diese biologischen Materialien häufig als Tragwerk verwendet, indem sie strukturelle Stabilität und mechanische Festigkeit sichern. Diese Funktionalität wird in der Natur über eine hierarchische Architektur aus einer relativ kleinen Auswahl anorganischer Materialien realisiert. Die Aufklärung der Beziehungen zwischen Eigenschaft, Struktur und Funktion dieser mineralisch-organischen Biokomposite ist eine der größten Herausforderungen in der heutigen Biomaterialwissenschaft. Eine die Hauptantriebskrafte für die Erforschung funktionaler Biokomposit-Architekturen, deren Grundkonzepte als Inspiration für die Entwicklung neuer Materialien zu nutzen. So ist die Synthese neuer Verbundwerkstoffe, die hohe Steifigkeit mit hoher Zähigkeit kombinieren, für zahlreiche technische Anwendungen von großem Interesse. Diese Aspekte lassen sich gut an der Ultrastruktur von Weichtierschalen demonstrieren. Hierbei wird durch die mineralischen Komponenten die allgemeine Steifigkeit des Verbunds realisiert, während die organischen Grenzflächen eine Schlüsselrolle für die mechanischen Überlegenheit derartiger Strukturen spielen. Daher sind solche Architekturen die am stärksten bezüglich ihrer mechanischen Leistungsfähigkeit untersuchten biomineralisierten Gewebe und sind auch die am häufigsten synthetisch nachgeahmten biologischen Strukturen.Trotz zahlreicher Studien zur Messung, Modellierung und Simulation des mechanischen Verhaltens der Ultrastrukturen von Weichtierschalen ist das Verständnis ihrer Leistungsfähigkeit noch sehr begrenzt. Dies ist zum Teil auch auf das Fehlen grundlegender Kenntnisse ihrer mechanischen Eigenschaften zurückzuführen, speziell des anisotropen elastischen Verhaltens der biomineralischen Komponenten und der aus ihnen gebildeten Gewebe. Genau bei dieser Forschungsaufgabe setzt der vorliegende Antrag an: Multiskalige, d.h. über mehrere Größenordnungen reichende, Untersuchung der linearen Elastizität biogener Architekturen auf Kalziumkarbonatbasis. Hierzu werden zwei Typen von Ultrastrukturen untersucht, säulenförmige prismatische und geschichtete Architekturen aus Kalzit bzw. Aragonit. Die Untersuchungen werden mithilfe adaptierter Versionen der Puls-Echo-Methode bzw. der Mikro-Brillouin-Spektroskopie durchgeführt. Die Teams von Dr. Igor Zlotnikov und Dr. Andrei Sotnikov verfügen sowohl über geeignete und sich ergänzende Kompetenzen als auch über die notwendige Ausrüstung, um dieses Projekt erfolgreich durchzuführen. Das Ergebnis der Untersuchungen wird es nicht nur erlauben, eine offene Frage auf dem Gebiet der Mechanik biologischer Materialien zu beantworten, sondern es wird auch erwartet, dass die gewonnenen Erkenntnisse einen grundlegenden Einfluss auf die zukünftige Untersuchung und Gestaltung bioinspirierter und biomimetischer Materialsysteme haben werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen