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Nanostrukturierte Bausteine biomimetisch zusammenfügen

Die Natur ist eine Inspirationsquelle für neue Zusammensetzungs- und Mineralisationsverfahren, die für intelligente, multifunktionale Geräte angewendet werden könnten. Ein EU-finanziertes Projekt nutzte dieses neue Verfahren für die flexible Herstellung von Filtergeräten für Wärme- und Feuchtigkeitsaustauscher, Zahngerüsten und photovoltaischen Fasern.
Nanostrukturierte Bausteine biomimetisch zusammenfügen
Bioinspirierte Mineralisationsverfahren beruhen auf der heterogenen Nukleation nanoskaliger anorganischer Phasen wie Kalziumphosphat oder -karbonat auf organischen 3D-Strukturen, die sich, dank der auf molekularer Ebene ausgetauschten Informationen, auf komplexe Weise zusammensetzen. Viele lebende Organismen machen von diesem Prozess Gebrauch, um erhaltende und schützende Strukturen aufzubauen (z. B. Außenskelette bei Insekten und Weichtieren, Endoskelette bei Säugetieren).

Neue, umweltfreundliche chemische Verfahren ermöglichen auf Grundlage eines solchen Ensembles komplexer Phänomene die künstliche Aktivierung von Steuermechanismen im Labor, um die kontrollierte Bildung neuer Hybridmaterialien, welche Nanopartikel in einem kritischen Größenbereich einfangen, flexibel voranzutreiben. Zu den möglichen Anwendungsbereichen zählen die kontrollierte Erhitzung und Befeuchtung medizinischer Gase, Gerüste zur Wiederherstellung von Zahngewebe sowie die Photovoltaikfasertechnik, die in neue Farbstoffsolarzellen integriert werden soll.

Diese neuen bioinspirierten Verfahren zur Entwicklung intelligenter multifunktionaler Geräte mit zahlreichen Anwendungsmöglichkeiten im Gesundheits-, Umwelt-, Energie- und Sicherheitsbereich wurden im Rahmen der Arbeit an dem EU-finanzierten Projekt SMILEY (Smart nano-structured devices hierarchically assembled by bio-mineralization processes) entwickelt.

Einer der Vorteile dieser Verfahren ist die Verwendung reichlich verfügbarer und umweltfreundlicher Rohstoffe wie natürlicher Polymere und Fasern. Diese Materialien werden vermischt, indem chemische oder physikalische Verbindungen zwischen verschiedenen Biopolymeren oder Naturfasern induziert werden. Hierdurch entstehen Biopolymerverbundwerkstoff-Matrizen, die für die Entwicklung nanoskaliger Bausteine verwendet werden und daraufhin für die bioinspirierte Synthese und Mineralisation genutzt werden. In diesem Kontext wurden mögliche Materialien und Verfahren untersucht, erprobt und die am besten geeigneten Kandidaten wurden zur Weiterentwicklung ausgewählt.

Die Forscher bauten Prototypengeräte zum Wärme- und Feuchtigkeitsaustausch (heat and moisture exchange, HME) mit Luftfilterungseigenschaften. Die Wärme- und Feuchtigkeitsaustauscher können zum Befeuchten und Erhitzen von Gasen genutzt werden, die aus Lungenventilatoren für Patienten stammen, welche auf Beatmungsunterstützung angewiesen sind. Die Luftfilter könnten nicht nur für Fertigungsprozesse eine wichtige Rolle spielen, sondern auch im Falle von Naturkatastrophen, Gebäudezerstörungen oder Krieg.

Das Team entwickelten zudem Gerüste zur Imitation verschiedener Gewebe, die im Dentalreparaturbereich von Bedeutung sind, darunter der gesamte Zahnhalteapparat (Zahnfach, Wurzelhaut und Zahnzement) und das Zahnbein. Die Zahnwiederherstellung ist ein noch unerreichtes medizinisches Ziel, dessen Erfüllung für die Bürger Europas eine gewaltige Steigerung der Lebensqualität bedeuten würde. Denn wahrscheinlich werden Zahnverluste und Einschränkungen der Mundfunktionen, die mit zahlreichen Nebeneffekten auf systemischer Ebene einhergehen, noch weiter zunehmen. Die neue im Zuge des SMILEY-Projekts entwickelte Biotechnologie wird dazu beitragen, die volle Mobilität und Kaukapazität selbst im fortgeschrittenen Alter zu erhalten.

Das Team untersuchte schließlich verschiedene Naturfasern und Oberflächenmodifikationen, die auf die Aktivierung funktioneller Oberflächengruppen zur heterogenen Nukleation bei anorganischen Nanophasen ausgerichtet waren. Auf dieser Grundlage wurden neue Materialien mit photovoltaischen Eigenschaften entwickelt, und es wurden Prototypen mit Faser-Photoanoden hergestellt. Die Entwicklung einer neuen flexiblen Photovoltaiktechnik wird einen wichtigen Beitrag zu aktuellen Herausforderungen im Zusammenhang mit der in Kleidungsstücke, Vorhänge, Gebäude oder Treibhäuser integrierten Energieerzeugung leisten.

Im Zuge von SMILEY wurden von der Natur inspirierte Nanomaterialien für die Verwendung in Geräten entwickelt, die sowohl dem Schutz der Umwelt als auch ihrer Bewohner dienen.

Verwandte Informationen

Fachgebiete

Scientific Research

Schlüsselwörter

Bioinspirierte Mineralisation, Zahngerüste, photovoltaische Fasern, nanostrukturierte Geräte, Luftfilter
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