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- Werkstoffe
Biomorphe Keramik für technische Anwendungen
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Strukturen der Laubholz-Röhren und Nadelholz-Netze
- Wasserleitung, Stützgerüst,
Stoffwechselapparat und Vorratsspeicher - Holz als natürlicher
Verbundwerkstoff ist darauf eingerichtet, für lebende Pflanzen
vielerlei Funktionen zu übernehmen. Kann das Wachstum von
Holz aber auch so beeinflusst werden, dass es als Ausgangsmaterial
für zelluläre Keramiken besonders günstige Strukturen
mitbringt, und wie verändern sich die Eigenschaften solcher
Keramiken, wenn das Holzgewebe, das die Form vorgibt, variiert?
Die Arbeitsgruppe Biomimetik (Leiter: Dr. Heino Sieber) am Lehrstuhl
für Glas und Keramik der Universität Erlangen-Nürnberg
und das Institut für Holzforschung an der Technischen Universität
München (Projektleiter: Prof. Dr. Jörg-Helmut Fromm)
wollen diese Fragen gemeinsam klären. Die DFG fördert
dieses Verbundvorhaben im Rahmen ihres interdisziplinären
Programms "Vom Molekül zum Material".
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- Verschiedene Zelltypen formen den Verbundwerkstoff
Holz, wobei das Vorkommen und die Anordnung der Zellen je nach
Baumart unterschiedlich sind. Laubhölzer sind generell anders
aufgebaut als Nadelhölzer. Das Holz der Nadelbäume
wird fast ausschließlich aus Tracheiden gebildet, langgestreckten,
parallel zur Stammachse ausgerichteten Faserzellen, die auch
für die Wasserversorgung zuständig sind. Im Querschnitt
gesehen, formen sie ein engmaschiges, relativ einheitliches Netz.
Der Durchmesser der Tracheiden beträgt maximal 50 mm; er
schwankt in Abhängigkeit von der Jahreszeit und von den
Wachstumsbedingungen.
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- Typisch für Laubbäume sind dagegen
eigene Wasserleitungsgefäße, die Tracheen, die einen
zehnmal höheren Durchmesser erreichen können und Röhren
bis zu einer Länge von mehreren Zentimetern bilden. Andere
Zellstrukturen ermöglichen einen Stofftransport quer zu
Stammachse. Darüber hinaus sind die Zellen durch Wandunterbrechungen
miteinander verbunden. So entsteht ein dreidimensionales, offen
poröses Transportsystem, das weit weniger homogen ist als
das Zellsystem der Nadelhölzer.
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- Pappel und Kiefer als Prototypen
- Wegen dieser Verschiedenheiten wurden für
das Forschungsprojekt zwei Holzarten als Modellsysteme gewählt,
die Pappel als Beispiel für Laubholz und die Kiefer als
Vertreterin der Nadelhölzer. Die wichtigsten Biomoleküle
- Cellulose als Gerüstsubstanz der unverholzten Zellwand,
Hemicellulosen, die lange Zuckerketten bilden, und die als Verholzungsstoff
bekannte Mischsubstanz Lignin - sind in unterschiedlichen Mengenverhältnissen
vertreten. Kohlenstoff und Sauerstoff machen insgesamt mehr als
90 Prozent der elementaren Zusammensetzung von Holz aus. Der
hohe Gehalt an Kohlenstoff ist die Grundlage des Biotemplating,
der Hochtemperatur-Umsetzung zu Biokohlenstoffformen.
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- Bio-Templating
- Die Zellstruktur von Holz (oder anderen natürlich
gewachsenen Materialien) kann dazu genutzt werden, neuen keramischen
Werkstoffen eine innere Struktur zu geben. Ein Weg dazu führt
über das Bio-Templating. Die wichtigsten Biomoleküle,
aus denen Holz besteht - Cellulose, Hemicellulosen und der Verholzungsstoff
Lignin - sind etwa zur Hälfte aus Kohlenstoff aufgebaut.
Bei Hochtemperatur-Umsetzungsreaktionen bleiben Kohlenstoffstrukturen
übrig, die wie die Holzzellen angeordnet sind. Sie bilden
ein poröses Gitterwerk, in dem das Zellgerüst, einzelne
Zellwände und die daraus aufgebauten Fasern noch erkenntlich
sind.
- Die Pyrolyse, die Zersetzung durch Wärme,
geschieht in einem Hochtemperaturofen bei bis zu 1800°C in
einer Stickstoffatmosphäre. Da dabei reine Kohlenstoffstrukturen
entstehen, wird dieser Vorgang als Carbonisierung bezeichnet.
Die Biokohlenstoffformen, auch CB-Template genannt, werden anschließend
bei 1600°C mit flüssigem Silicium infiltriert. Dazu
ist kein Druck nötig, da zellulär aufgebaute Transportsysteme
Flüssigkeiten spontan weiterleiten, in sich "aufsaugen".
Silicium und Kohlenstoff verbinden sich, und innerhalb von vier
Stunden hat sich die Kohlenstoffstruktur völlig in Siliciumkarbid
umgewandelt. In den Porenkanälen bleibt unreagiertes Silicium
zurück, so dass ein zellulärer Si/SiC-Verbundwerkstoff
entsteht.
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- Vierjährige Vorarbeit an zellulären
Werkstoffen
- Mit diesem neuartigen Verfahren zur Werkstoffsynthese
befasst sich die Arbeitsgruppe Biomimetik am Lehrstuhl von Prof.
Dr. Peter Greil seit rund vier Jahren. Keramische Bauteile mit
Porendurchmessern im Mikrometerbereich eignen sich besonders
als Isolations- und Katalysatorträgerstrukturen. Hier kommen
vorwiegend Laubhölzer als innere Formgebungswerkzeuge in
Frage. Nadelhölzer, deren Tracheiden bei der Infiltration
meist vollständig mit Silicium gefüllt werden, sind
eher zur Herstellung von Bauteilen mit hoher Dichte, Festigkeit
und Steifigkeit geeignet.
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- In dem Kooperationsprojekt wird untersucht,
inwiefern die Eigenschaften von biomimetischen Keramiken sich
verändern bzw. zu steuern sind, indem das Holzwachstum gezielt
beeinflusst wird. Zur Regulierung des Wachstumsprozesses setzt
das Münchner Institut für Holzforschung chemische und
mechanische Methoden ein. Die Erlanger Werkstoffwissenschaftler
stellen die Keramiken aus den unterschiedlichen Ausgangshölzern
her, analysieren die Mechanismen der Strukturabformung für
Zellgerüst, Zellwand und Cellulosefasern und setzen die
jeweiligen Eigenschaften der zellularen SiC-Keramiken mit den
spezifischen Gewebestrukturen der Ausgangsmaterialien in Beziehung.
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- Kontakt:
Dr. Heino Sieber
Arbeitsgruppe Biomimetik, Lehrstuhl Glas und Keramik
Martensstraße 5, 91058 Erlangen
Tel.: 09131/85 -27553, Fax: 09131/85 -28311
E-Mail: heino@ww.uni-erlangen.de
Informationen im Internet: http://www.glas-ceramics.uni-erlangen.de.
- Mediendienst FORSCHUNG Nr. 590 vom 26.02.2001
Sachgebiet Öffentlichkeitsarbeit (Pressestelle)
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