-
Materials World Network (MWN) for Particle-mediated Control Over Crystallization: From the Pre-nucleation Stage to the Final CrystalA Materials World Network (MWN) will be formed to investigate mechanisms of particle-mediated crystallization through which mesocrystals — crystals structured on the mesoscale — are created. In biomineral systems, mes-ocrystal formation is a widespread phenomenon mediated by biomolecules and leading to the hierarchical organization commonly associated with these materials. Our ultimate goal is a mechanistic understanding of this process and a set of principles to guide biomimetic strat-egies to create hierarchically organized materials (e.g. bioceramics, photonic solids, energy harvesting materials). The value added by the international collaboration is that it facilitates this goal by combining expertise in chemistry and growth of mesocrystals with capabilities in high-resolution in situ imaging, measurement of interactions, determination of structure, and modeling and simulation from the atomic to mesoscale. Using the calcium carbonate, iron oxide and calcium-silicate hydrate (C-S-H) systems combined with polymers, the project will pursue three thrusts, structured around the key scientific questions: Thrust 1: The pre-nucleation stage, nucleation of primary nanoparticles and intermediate phases - The nature of pre-nucleation clusters will be determined using ion potential measurements, titration and ultracentrifugation. Their solution interaction dynamics will be probed through liquid cell TEM. Thrust 2: Interactions forces between nanocrystals and organic mediators of mesocrystal formation – The interactions responsible for particle co-orientation and reorientation will be determined through a combination of dynamic force spectroscopy (DFS) and modeling. DFS will provide a direct measure of the free energy of the orientation dependent crystal-crystal and -polymer interactions. Experimental measurements are supported by molecular model-ing, which allows us to determine molecular details of the effective interactions and provides parameters for the phase field calculations in Thrust 3. Thrust 3: Post-nucleation particle ag-gregation and co-orientation – The kinetics of particle aggregation, crystallographic orienta-tions of the aggregating particles as a function of time, and structural evolution of mesocrys-talline aggregates will be investigated by liquid cell TEM and ex situ HRTEM. Emphasis will be placed on distinguishing between oriented attachment and orientation following random aggregation either through whole-particle rotation or atomic-scale ripening. These data will be compared to phase-field models of mesocrystal assembly that utilize the interaction energies determined in Thrust 2.Leitung: Prof. Dr. H. Cölfen, Prof. Dr. D. Gebauer, Prof. Dr. H. EmmerichJahr: 2013Förderung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)Laufzeit: 2013-2017
-
Advanced Hybrids of Calcium Carbonate and NanocelluloseLeitung: Prof. Dr. D. GebauerTeam:Jahr: 2014Förderung: Baden-Württemberg Stiftung (Stuttgart)Laufzeit: 2014-2017
-
Die Entstehung anisotroper Partikel während der Mineralisation von Calciumcarbonat und -phosphatCalciumcarbonat und -phosphat verhalten sich während der Fällungsfrühphasen sehr unterschiedlich, insbesondere in Hinblick auf die früheste Ausbildung morphologischer Anisotropie. Im Rahmen dieses Projektes werden zeitaufgelöste in situ Methoden verwendet, um die hierbei wesentlichen Schlüsselfaktoren zu beleuchten. Das Ziel ist, ein besseres Verständnis der Polymorphie- und Morphologiekontrolle in Kristallisationsprozessen zu erlangen, um Wege zur zielgerichteten Darstellung kolloidaler Bausteine zu ebnen.Leitung: Prof. Dr. D. Gebauer and Prof. Dr. K. HauserJahr: 2016Förderung: DFG
-
Bifunktionelle Hybridnanopartikel über gesteuerte Calciumcarbonat-Kristallisation auf gentechnisch veränderten ProteinoberflächenDieses Projekt hat die genau bestimmte Darstellung strukturell und funktionell anisotroper Nanohybridpartikel bestehend aus Calciumcarbonat und maßgeschneiderten, gentechnisch veränderten Proteinen über nicht-klassische Kristallisationspfade zum Ziel. Mittels iterativen Proteindesigns und sorgfältiger Untersuchungen der Effekte auf die in vitro Calciumcarbonat-Kristallisation werden die essentiellen Faktoren dieses komplexen Prozesses identifiziert. Dies ebnet auch den Weg zum Verständnis einer zielgerichteten Darstellung von Partikelüberstrukturen über Selbstassemblierung.Leitung: Prof. Dr. D. Gebauer, Prof. Dr. A. MarxJahr: 2016Förderung: DFG
-
Control of crystallisation in mineralsThis project aims to increase our knowledge of the processes of mineral formation and crystallisation. Minerals play a vital role in our environment, for example as reservoirs for carbon dioxide, while also substantially contributing to the Australian economy. Conversely, undesirable formation of minerals can be detrimental to industries from the oil/gas sector through to desalination. Despite the benefits that would come from controlling such crystal growth, progress has been limited by the lack of a complete understanding of how minerals form at the microscopic level. This project aims to combine computer simulation, using the latest petascale resources, with experimental data to yield knowledge that would allow us to manipulate minerals, such as calcium carbonate, with the same control found in nature.Leitung: Prof. Dr. J. D. GaleTeam:Jahr: 2016Förderung: Australian Research CouncilLaufzeit: 2016-2019
-
Nukleations- und Kristallisationskontrolle von Al(III)(oxy)(hydr)oxiden: Zugang zu fortschrittlichen MaterialienDie Chemie des Aluminiums ist in vielen Bereich aktueller Forschung von zentraler Bedeutung, insbesondere zu nachhaltigen Energiequellen, organometallischen Hybdridmaterialien, Impfstoffformulierungen, Abwasserbehandlung oder der Versäuerung von Böden und Gewässern im Zuge des Klimawandels, und vielen mehr. Der möglicherweise wichtigste Aspekt betrifft den negativen Einfluss von Aluminium auf unsere Gesundheit, dessen wissenschaftliche Erklärung unklar bleibt. In allen genannten Bereichen scheint die Bildung von Aluminium(oxy)(hydr)oxiden (AlOx) eine zentrale Rolle zu spielen. Jedoch bleiben die physikalisch-chemischen Bedingungen, die zur Phasenseparation führen, sowie der Nukleationsmechanismus an sich, weitgehend unklar. Während bekannt ist, dass bestimmte Anionen oder organische Moleküle die Hydrolyse-(Polymerisations)-Nukleations-Kaskade beeinflussen —über eine (De-/) Stabilisierung bestimmter Al(III) Spezies oder Beeinflussung des pH Wertes während der AlOx-Bildung— ist die Datenlage zum Einfluss von Kationen spärlich. Es scheint keine intuitive Erklärung ihrer Rolle während der Hydrolyse/Kondensation von Al(III) zu geben. Wir stellen hier ein Projekt vor, das eine fundamentale Verbesserung des Verständnisses des Nukleationsmechanismus von AlOx und der Wege, wie dieser Prozess kontrolliert werden kann, zum Ziel hat. Dies basiert auf dem Wissenstand in der Literatur und Vorarbeiten zum AlOx Nukleationsmechanimus sowie zur Rolle von Calciumionen. Ein Schwerpunkt liegt auf diesem Kation, das eine Schlüsselrolle in biochemischen Signalwegen und der Nervenfunktion spielt, und somit mit den schädlichen Effekten von Aluminium auf unsere Gesundheit zu tun haben könnte. Ferner werden wir die Rolle von organischen Zusätzen untersuchen, die in den oben genannten Bereichen wichtig sind: Fumarsäure, verschiedene Polycarboxylate und die Polyphenolsäure Ellagsäure. Unser Forschungsplan basiert auf der Verwendung komplementärer Methoden, d.h., fortschrittliche potentiometrische Titrationen, Isotherme Titrationskalorimetrie, NMR, Analytische Ultrazentrifugation, Elektronemikroskopie und mehr. Wir definieren fünf Meilensteine, wobei die erste Projekthälfte der detaillierten Speziierung der Frühstadien der AlOx Bildung mit und ohne die Zusatzstoffe dient. Wir zeigen, dass dieses Ziel erreichbar ist und dann ermöglicht, in den weiteren Meilensteinen detaillierte Einblicke in die Wechselwirkungen von AlOx Vor- und Zwischenstufen sowie Feststoffen mit den Additiven zu erhalten. Die Vision ist, Korrelationen zwischen Additivstrukturen und -effekten auf die AlOx-Bildung zu finden, als einen ersten Schritt zur Etablierung einer Additiv-Bibliothek zur zielgerichteten Materialsynthese. In jedem Fall wird dieses Projekt ein fundamental verbessertes Verständnis der wässrigen Chemie des Al(III) ermöglichen, das nötig ist, um Anwendungen von Aluminium in verschiedenen aktuellen Bereichen weiterzuentwickeln —insbesondere hinblicklich des schädlichen Gesundheitseinflusses.Leitung: Prof. Dr. D. GebauerJahr: 2021Förderung: DFG
Forschungsprojekte der AG Festkörper- und Materialanalytik
Letzte Änderung: 04.05.23; Valeriano Wolper
