Bioinspirierte Mineralisation

Unser Ziel ist es strukturierte organisch-anorganische Hybridmaterialien oder Replikate des entsprechenden organischen Templates zu synthetisieren

Templat-gerichtete Synthese von nanostrukturierten Hybriden mittels organisch-anorganischen Wechselwirkungen

Für unsere Forschung verwenden wir anisotrope Biotemplate wie DNA, Wildtyp-Tabakmosaikvirus (TMV) sowie mehrere TMV-Mutanten, die von Kugeln abweichende vorteilhafte Interpartikel-Interaktionen aufweisen und für den Aufbau neuer organisch-anorganischer hybrider Nanostrukturen mit wohldefinierten Dimensionen und einzigartigen Materialeigenschaften attraktiv sind. Wir strukturieren das Templat durch verschiedene Assemblierungstechniken wie molekulares Kämmen, konvektive Assemblierung, kontrollierte Verdampfung und Stempeln. Die Templat-Oberfläche wird einer Mineralisierung unterzogen und selektiv mit einer dünnen anorganischen Schicht (z.B. ZnO und ZnS) bedeckt. Für die Synthese der entsprechenden organisch-anorganischen Strukturen wird die chemische Badabscheidung (CBD-Methode) in Lösung und unter Umgebungsbedingungen angewendet.  Um eine Kontrolle über das Mineralisierungsverhalten zu erreichen (um die Mineralisierung zu induzieren oder zu unterdrücken), untersuchen wir die Wechselwirkungen an der organisch-anorganischen Grenzfläche mit dem Ziel, den Wachstumsmechanismus zu verstehen (induzierte Mineralisierung) oder die Oberflächenhydrophilie des Templates (TMV) durch kovalente Kopplung von Polymermolekülen zu manipulieren (unterdrückte Mineralisierung). Dieser virusgesteuerte Ansatz zur selektiven in-situ-Mineralisierung von ZnO wird bei der Herstellung eines funktionellen Bauteils verwendet. Die Abscheidung von TMV/ZnO-Komposit auf Substraten mit vorstrukturierten Elektroden führt zur Bildung von Feldeffekttransistoren (FETs), die ohne eine normalerweise erforderliche Nachbehandlung arbeiten.

In Kooperation mit Dr. Sabine Eiben und Prof. Dr. (apl.) Christina Wege, Institut für Biomaterialien und biomolekulare Systeme, Universität Stuttgart, Dr. Rudolf Hoffmann und Prof. Jörg J. Schneider, Eduard-Zintl-Institut für Anorganische und Physikalische Chemie, Technische Universität Darmstadt, Dr. Vladimir Atanasov, Institut für Chemische Verfahrenstechnik, Universität Stuttgart und Prof. Dr. Andreas Fery, Leibniz Institut für Polymerforschung, Dresden.

  1. Atanasova, P.; Rothenstein, D.; Schneider, J. J.; Hoffmann, R. C.; Dilfer, S.; Eiben, S.; Wege, C.; Jeske, H.; Bill, J., “Virus-Templated Synthesis of ZnO Nanostructures and Formation of Field-Effect Transistors” Advanced Materials 2011, 23, 4918.
  2. Atanasova, P.; Stitz, N.; Sanctis, S., Maurer, J. H. M.; Hoffmann, R. C.; Eiben, S.; Jeske, H.; Schneider, J. J. and Bill, J. “Genetically improved monolayer-forming tobacco mosaic viruses to generate nanostructured semiconducting bio/inorganic hybrids” Langmuir 2015, 31, 3897.
  3. Stitz, N.; Eiben, S.; Atanasova, P.; Domingo, N.; Leineweber, A.; Burghard, Z. and Bill, J. „Piezoelectric Templates - New Views on Biomineralization and Biomimetics” Sci Rep-Uk. 2016, 6.
  4. Atanasova, P., Kim, I., Chen, B., Eiben, S., Bill, J. “Controllable Virus-Directed Synthesis of Nanostructured Hybrids Induced by Organic/Inorganic Interactions” Adv Biosys. 2017, 1700106. 
  5. Atanasova, P. “Semiconducting hybrid layer fabrication scaffolded by virus shells” Virus-Derived Nanoparticles for Advanced Technologies 2018, (Wege, C. and Lomonossoff, G. P. (eds.)). Heidelberg, London, New York: Humana Press, Springer Science+Business Media.
  6. Atanasova, P.; Atanasov, V.; Wittum, L.; Southan, A.; Choi, E.; Wege, C.; Kerres, J.; Eiben, S.  and Bill, J. “Hydrophobization of tobacco mosaic virus to control the mineralization of organic templates” Nanomaterials 2019, 9, 800.

Anorganische und organisch-anorganische poröse Materialien mit einstellbarer Porengröße als Trägermaterialien

 Ziel dieses Projekts ist die Etablierung eines Templat-basierten Prozesses zur Herstellung strukturierter mesoporöser organisch-anorganischer (Hybrid-) oder rein anorganischer Materialien mit abstimmbarem Porendurchmesser. Sie sollen als Trägermaterial für die spezifische Anlagerung von Katalysatormolekülen in den Poren zur Untersuchung der molekularen heterogenen Katalyse in definierten, dirigierenden Geometrien verwendet werden.

Dieses Projekt ist ein Teilbereich des Sonderforschungsbereichs 1333 “ Molekulare heterogene Katalyse in definierten, dirigierenden Geometrien” der Universität Stuttgart 

 

Oxid Inverse Opal

Halbleiteroxide mit einer hierarchischen inversen Opalstruktur haben eine große Oberfläche sowie eine offene und geordnete Porosität in mehreren Längenskalen. Daher haben sie eine potenzielle Anwendung in der Katalyse, wo sie als Katalysator selbst oder als Katalysatorträger zur Immobilisierung von Metallnanopartikeln oder Katalysatormolekülen verwendet werden.

Hierarchisch strukturierter inverser Opal aus Siliciumdioxid (links) mit großen Transport- und Zirkularporen, intermediäre Poren und Mesoporen in den Porenwänden und inverser Opal aus Titanoxid (rechts) mit Transportporen und aus einer mesoporösen Monoschicht bestehenden Porenwänden.

In Kooperation mit Prof. Thomas Sottmann, Institut für Physikalische Chemie, Universität Stuttgart

Organisch-anorganische Hybridschäume

Nanoschäume auf der Basis von Polymethylmethacrylat (PMMA) und Polystyrol (PS) sind eine weitere Klasse poröser Materialien, die als Template für die Synthese von porösen organisch-anorganischen Hybriden verwendet werden können. Sie finden Anwendung in der Katalyse, Sorption und Sensorik.

Die poröse Struktur von Polystyrolschäumen (a) wird als Templat verwendet, um unter milden Bedingungen eine dünne Oxidschicht auf den Polymerporenwänden abzuscheiden. Das Vorhandensein einer anorganischen Phase auf dem entsprechenden porösen PS/ZnO-Hybrid (b) wurde durch eine EDX-Analyse (c) bestätigt.

In Kooperation mit Prof. Thomas Sottmann, Institut für Physikalische Chemie, Universität Stuttgart

  1. Qawasmi, Y.; Atanasova, P.; Jahnke, T.; Burghard, Z.; Müller, A.; Grassberger, L.; Strey, R.; Bill, J. and Sottmann, T. “Synthesis of Nanoporous Organic/Inorganic Hybrid Materials with Adjustable Pore Size” Colloid and Polymer Science 2018, 296, 1805.
Dieses Bild zeigt  Petia Atanasova
Dr.

Petia Atanasova

Gruppenleiterin

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