Biomineralisierter Kork • Alexey Yapryntsev • Wissenschaftliches Bild des Tages über "Elemente" • Materialwissenschaften, Chemie

Biomineralisierter Kork

Diese Aufnahme, aufgenommen mit einem Rasterelektronenmikroskop und anschließend bemalt, zeigt ein poröses Teilchen aus Strontiumhexaferrit (Sr3Co2Fe24O41) – Produkt der biomorphen Mineralisierung von Korkeichenrinde (Quercus suber). Die resultierende Struktur wiederholt vollständig die Struktur des Korks – ein entwickeltes System von dreidimensionalen hexagonalen Poren mit einer Größe von ungefähr 20 Mikrometer (ungefähr 200 Millionen Stücke pro Kubikzentimeter). Die Pflanze braucht diese Poren für den Gasaustausch und die Transpiration (Bewegung des Wassers), und die Biomineralierer benötigen sie möglicherweise, um verschiedene Gase und Flüssigkeiten zu transportieren – zum Beispiel bei der Herstellung von Katalysatoren und Adsorbentien.

Die biomorphe Mineralisierung (siehe Biomorphologische Mineralisierung) ist die Herstellung von Materialien mit der Morphologie von biologischen Objekten, auf deren Grundlage diese Materialien erzeugt werden. Als biologische Matrix für solche Materialien verwenden eine Vielzahl von Objekten: Biomoleküle (DNA, Proteine), Viren, Mikroorganismen (Bakterien und Pilze), Pflanzengewebe (Baumwolle, Holz) und Tiere (Schmetterlingsflügel). Im weitesten Sinne werden biomorphe Mineralisierungen auch Prozesse genannt, die ohne menschliches Zutun auftreten. Zum Beispieldie Bildung von Fossilien (der Prozess, lebende Gewebe durch mineralische Ablagerungen zu ersetzen) und sogar die Bildung von harten Hüllen in vielen Organismen, was nach dem gleichen Prinzip erfolgt (siehe Biomineralisation, Biomineralisation).

Die biomorphe Mineralisierung als synthetischer Ansatz ist mit einem breiteren Konzept der Bionik verbunden (wörtlich "Nachahmung des Lebens") – die Schaffung von Geräten, Geräten, Mechanismen oder Technologien, deren Idee und Grundelemente der lebendigen Natur entlehnt sind. Zum Beispiel wird das Prinzip der strukturellen Färbung lebender Organismen (siehe Strukturfarbe in der lebenden Natur) verwendet, um Farbhologramme und dekorative Materialien sowie verschiedene Arten von Sensoren auf photonischen Kristallen zu erzeugen, die unter dem Einfluss verschiedener chemischer oder physikalischer Faktoren ihre Farbe verändern (siehe das Bild des Tages) Meeresmaus).

Das in der Abbildung gezeigte Material ist ein Beispiel für einen biomimetischen Ansatz, der auf der Templatsynthese von Pflanzengeweben basiert. Diese Gewebe sind aufgrund ihrer porösen Mikrostruktur attraktiv – eine geordnete Gruppe von Poren oder länglichen Kanälen entlang der Wachstumsrichtung. Poren und Kanäle werden für den Transport von Flüssigkeiten und Gasen in der Anlage benötigt.In diesem Fall wurde eines der äußeren Korkeichengewebe als Vorlage verwendet – Kork, ein nachwachsender Rohstoff, der alle 9-13 Jahre gesammelt wird, ohne die Pflanze zu schädigen (die bis zu 300 Jahre alt wird). Daher wird das Material auch Öko-Keramik genannt.

Die biomorphe Mineralisierung von Holz wird wie folgt durchgeführt. In der ersten Stufe wird das Holz einer Pyrolyse unterzogen (Verkohlung durch Erhitzen auf mehr als 900 ° C in einem Argonstrom). Als Ergebnis wird ein hochporöser Biokohlenstoff gebildet, in den dann die chemische Infiltration des Vorläufers aus der Schmelze, Lösung oder Dampf erfolgt, das heißt, der resultierende Kohlenstoff wird im wesentlichen mit der neuen Verbindung imprägniert, und der Überschuß wird dann im Vakuum entfernt. Abhängig von der Zusammensetzung des Vorläufers kann die Infiltration von einer Reaktion mit Kohlenstoff begleitet sein – zum Beispiel reagiert eine Siliciumschmelze unter Bildung von Siliciumcarbid. In jedem Fall wird als ein Ergebnis des Infiltrationsprozesses ein Verbundstoff gebildet, der entweder aus Kohlenstoff und einem Vorläufer oder einem Produkt der Wechselwirkung des Vorläufers mit Kohlenstoff und dem nicht umgesetzten Produkt besteht. Durch weitere chemische oder thermische Behandlung werden Verunreinigungsphasen entfernt und der Vorläufer wird zersetzt / oxidiert, wodurch ein Material mit einer gegebenen Mikrostruktur und Zusammensetzung erhalten wird.

Die Mikrostruktur von durch Pyrolyse aus porösen Geweben verschiedener Holzarten erhaltenem Biokohlenstoff. Abbildung von M. Singh et al., 2003. Umweltbewusste Keramik (Ökokeramik) aus natürlichen Holzvorläufern

So gewonnene biomorphe Materialien auf Holzbasis sind vielversprechend als Strukturmaterialien. Aufgrund ihrer hohen Festigkeit und Leichtigkeit können aus ihnen Implantate hergestellt werden, und das Vorhandensein eines offenen Porensystems, durch das verschiedene Gase und Flüssigkeiten transportiert werden können, eröffnet Möglichkeiten für die Entwicklung von Sorptionsmitteln und Filtern. Darüber hinaus ist Strontiumhexaferrit ein vielversprechender "Hochtemperatur" -Magnetoelektrischer (siehe Magnet spürt das elektrische Feld auf, "Chemie und Leben" №5, 2013). Gleichzeitig hatte die ungewöhnliche Morphologie praktisch keine Auswirkungen auf die Eigenschaften dieses Materials.

Foto aus dem Artikel R. C. Pullar, R.M. Novais, 2017. Ökokeramik.

Alexey Yapryntsev


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