Stefanie Kessel

• Im Rahmen der Arbeit werden hierarchisch strukturierte Silikakompositfasern präsentiert, deren Bildung ähnlich zu natürlichen Silifizierungsreaktionen verläuft. Als Analoga zu Proteinfilamenten in Silika Morphogeneseorganismen werden selbstorganisierte, funktionale Polyethylenoxid-Peptid-Nanobänder eingesetzt. Mit der Isolierung einheitlicher Nanokompositfasern wird gezeigt, dass die PEO-Peptid-Nanobänder eine starke Bindungsaffinität gegenüber Kieselsäure besitzen, diese aus sehr stark verdünnten Lösungen anreichern und deren Kondensation zu Silikanetzwerken kontrollieren können. In höheren Konzentrationen entstehen durch die peptidgeleitete Silifizierung der PEO-Peptid-Nanobänder spontan makroskopische Kompositfasern mit sechs Hierarchieebenen. Diese verbinden Längen von bis zu 3 cm und Durchmesser von 1-2 mm mit einer definierten Feinstruktur im Submikrometerbereich. Als Resultat der komplexen inneren Struktur und der Kontrolle der Grenzflächen zwischen Nanobändern und Silika wird eine Nanohärte erreicht, die schon ~1/3 der HärteIm Rahmen der Arbeit werden hierarchisch strukturierte Silikakompositfasern präsentiert, deren Bildung ähnlich zu natürlichen Silifizierungsreaktionen verläuft. Als Analoga zu Proteinfilamenten in Silika Morphogeneseorganismen werden selbstorganisierte, funktionale Polyethylenoxid-Peptid-Nanobänder eingesetzt. Mit der Isolierung einheitlicher Nanokompositfasern wird gezeigt, dass die PEO-Peptid-Nanobänder eine starke Bindungsaffinität gegenüber Kieselsäure besitzen, diese aus sehr stark verdünnten Lösungen anreichern und deren Kondensation zu Silikanetzwerken kontrollieren können. In höheren Konzentrationen entstehen durch die peptidgeleitete Silifizierung der PEO-Peptid-Nanobänder spontan makroskopische Kompositfasern mit sechs Hierarchieebenen. Diese verbinden Längen von bis zu 3 cm und Durchmesser von 1-2 mm mit einer definierten Feinstruktur im Submikrometerbereich. Als Resultat der komplexen inneren Struktur und der Kontrolle der Grenzflächen zwischen Nanobändern und Silika wird eine Nanohärte erreicht, die schon ~1/3 der Härte von Bioglasfasern darstellt. Für die Elastizität (reduziertes Eindrückmodul) dagegen konnte durch den relativ hohen Anteil (~40%) an verformbaren, organischen Komponenten ein ~4-mal größer Wert im Vergleich mit Bioglasfasern bestimmt werden. Des Weiteren wird die Prozessierung der makroskopischen Kompositfasern in einem 2D-Plotprozess vorgestellt. Mit Verwendung der PEO-Peptid-Nanobänder als „Tinte“ können Kompositobjekte in beliebigen Formen geplottet werden, deren Linienbreite sowie anisotrope Ausrichtung der Nano- und Submikrometerstrukturelemente direkt mit der Plotgeschwindigkeit korrelieren. Außerdem können die Kompositobjekte als Vorstufen für orientierte, mesoporöse Silikaobjekte verwendet werden. Nachdem Calcinieren werden Silikastrukturen mit einer hohen spezifischen Oberfläche und in Plotrichtung ausgerichteten zylindrischen Poren erhalten. Im Kontrast zu den anorganisch-bioorganischen Kompositfasern sollten unter Ausnutzung ionischer Wechselwirkungen oder Metallkoordination Kompositmaterialien mit anderen mechanischen Eigenschaften dargestellt werden. Es wird gezeigt, dass durch Variationen in der Aminosäuresequenz des Peptidkerns, die Oberflächen der PEO-Peptid-Nanobänder gezielt mit funktionellen Gruppen versehen werden können. Eine gerichtete Vernetzung dieser modifizierten Nanobänder wurde nicht erreicht, dafür könnten die imidazolfunktionalisierten Nanobänder als eindimensionale Protonenleiter, die mit photochromen Gruppen (Spiropyran) funktionalisierten Nanobänder für die Modifizierung von Oberflächenpolaritäten oder für gerichtete Kristallisationsprozesse eingesetzt werden.…
• In this work hierarchical structured silica-composite fibers are presented, whose formation is similar to natural silicification processes. Self-assembled, functional poly(ethylene oxide) (PEO) peptide nanotapes were utilized as analogue to protein filaments in silicamorphogenese organism. Isolation of homogenous nano composite fibers demonstrates that the PEO peptide nanotapes have a high affinity to bind silicic acid. They are able to enrich silicic acid from very dilute solution and can control the silica condensation process. Macroscopic composite fibers spontaneously arise if the PEO peptide nanotapes in a higher concentration were mixed with the silica precursor. These exhibit six distinguishable levels of hierarchical order, spanning length scales from the nanometer up to millimeters in lateral and even centimeters in longitudinal dimensions. As a result of the inner structure, reinforced composite fibers were obtained, exhibiting 1/3 of the mechanical hardness of natural glass sponge spicules. The elasticity, which isIn this work hierarchical structured silica-composite fibers are presented, whose formation is similar to natural silicification processes. Self-assembled, functional poly(ethylene oxide) (PEO) peptide nanotapes were utilized as analogue to protein filaments in silicamorphogenese organism. Isolation of homogenous nano composite fibers demonstrates that the PEO peptide nanotapes have a high affinity to bind silicic acid. They are able to enrich silicic acid from very dilute solution and can control the silica condensation process. Macroscopic composite fibers spontaneously arise if the PEO peptide nanotapes in a higher concentration were mixed with the silica precursor. These exhibit six distinguishable levels of hierarchical order, spanning length scales from the nanometer up to millimeters in lateral and even centimeters in longitudinal dimensions. As a result of the inner structure, reinforced composite fibers were obtained, exhibiting 1/3 of the mechanical hardness of natural glass sponge spicules. The elasticity, which is considered as one limiting factor in optical glass fibers, could be enhanced 4-times due to the incorporation of an increased amount of polymer peptide nanotapes (~40%). In addition a 2D-plot process is introduced, in which the polymer peptide nanotapes acts as an ink. By injecting a solution of the nanotapes into a diluted silicic acid solution composite objects can be plotted in any desired way. The width of the plotted lines as well as the anisotropic orientation of the nano- and sub micrometer structure elements correlates directly to the plotting speed. Besides the composite objects can be utilized as precursors for oriented, mesoporous silica objects. After a calcination procedure silica structures with cylindrical pores, aligned in plot direction, and a high specific surface area were received. In contrast to the inorganic-organic composite fibers other composite materials with different mechanical properties should be created exploiting ionic interactions or metal coordination. A variation in the amino acid sequence of the peptide core leads to an aimed functionalisation of the nanotape surfaces. A directed networking of such nanotapes was not observed, but imidazole functionalised nanotapes could maybe be used as one dimensional proton conductors. The nanotapes, which were tagged with photo chromic spiropyran units, have the ability to be used for controlled crystallization processes or the modification of surface polarities.…