Nanomechanische Charakterisierung

Titandioxid-basierter Hybridfilm mit Perlmutt-ähnlicher Struktur.
Links:Querschnitt durch die Schale des Roten Seeohrs (Haliotis rufescens) im Polarisations­licht-
mikroskop. Inset: AFM Bild des alternierenden Schichtaufbaus des Perlmuttteils der Schale.
Rechts: Querschnitt durch die Nachbildung der Perlmuttstruktur aus Titandioxid
und Polyelektrolyt (HRTEM Aufnahme).

Schwerpunkte der Arbeiten sind die Synthese und Charakterisierung bioinspirierter, nanostrukturierter Ver­bund­materialien mit einer alter­nie­renden Schichtstruktur, die eine weiche organische Komponente wie Poly­elektro­lyte (PE) oder Proteine (z.B. Hydrophobine) mit einem harten anorganischen Material (z.B. TiO2, ZnO, ZrO2) kombiniert. Diese Verbund­materialien werden generiert indem der anorganische Anteil mittels chemical bath deposition (CBD) und der organische Teil durch layer-by-layer(LBL) Abscheidung kombiniert werden. Durch die Kontrolle der organischen Schichtdicken werden Filme erzielt, die den natürlichen Vorbildern sehr nahe kommen (z.B. Perlmutt). Die alternierenden Schichtstrukturen zeigen dabei eine deutliche Steigerung der mechanischen Eigenschaften gegenüber den reinen anorganischen Oxidschichten. Im Besonderen wurden eine enorme Verbesserung der Bruchzähigkeit und ein mittlerer Anstieg der Härte unter gleichzeitiger Beibehaltung des Elastizitätsmoduls der Hauptkomponente beobachtet. Mehrere Faktoren, die für die Verstärkung des Materials verantwortlich sind wurden durch Mikroskopische Untersuchungen identifiziert. Dabei ist einer der Hauptfaktoren die effiziente Verteilung der von außen einwirkenden Kräfte längs der organisch-anorganischen Grenzflächen.

Die Steigerung der mechanischen Eigenschaften dieser nanostrukturierten Hybridfilme zeigt das hohe Potential biologisch inspirierter Syntheseansätze für die Materialwissenschaft. Die präzise Einstellung des Schichtdicken­verhältnisses zwischen weichen organischen und harten anorganischen Schichten sowie die Beeinflussung der Grenzflächen durch eine templatgesteuerte Nukleation sind hierbei wichtige Einflussgrößen.

 

Geförderte Projekte:

DFG BI469/17-1
Synthese und Charakterisierung von papier-artigen, nanostrukturierten Elektroden für Sekundärbatterien

Literatur zum Thema:

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Burghard, Z., Zini, L., Srot, V., Bellina, P., van Aken, P.A., Bill, J., 2009. Toughening through Nature-Adapted Nanoscale Design. Nano Letters 9, 4103-4108.

Burghard, Z., Tucic, A., Jeurgens, L.R.H., Hoffmann, R.C., Bill, J., Aldinger, F., 2007. Nanomechanical properties of bioinspired organic-inorganic composite films. Advanced Materials 19, 970-+.

Lipowsky, P., Burghard, Z., Jeurgens, L.P.H., Bill, J., Aldinger, F., 2007. Laminates of zinc oxide and poly( amino acid) layers with enhanced mechanical performance. Nanotechnology 18, -.