2023-08-182023-08-18https://hdl.handle.net/11420/42858Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung bioinspirierter perlmuttartiger keramischer Verbundwerkstoffe mit funktionalen integrierten optischen und mechanischen Eigenschaften. Die wissenschaftliche Arbeitshypothese ist, dass die Nano-Oberflächenmodifikation von Plättchen (“Ziegel”) mittels Moleküllagenabscheidung (MLD) es ermöglichen wird, die Dicke der Interphase ("Mörtel") und den Brechungsindex in einer noch nie dagewesenen Weise präzise einzustellen, was die Herstellung von Verbundwerkstoffen mit integrierter hoher Zähigkeit und hoher Transparenz ermöglicht. Die mittels MLD beschichtene Plättchen werden dann zu perlmuttartigen Strukturen (“Ziegel und Mörtel”) assembliert und 3D gedruckt, wodurch transparente Verbundwerkstoffe entstehen. Natürlicher Perlmutt weist eine Interphasendicke von 10 bis 50 nm auf, die gleichmäßig um die Plättchen verteilt ist. Eine solche Gleichmäßigkeit und geringere Dicke wird mit den derzeit entwickelten Techniken kaum reproduziert. Darüber hinaus wird die Grenzfläche zwischen Plättchen und Mörtel häufig durch Ablagerung oder Infiltration hergestellt, ohne dass eine chemische Reaktion zwischen Mörtel und Plättchen stattfindet, was die Grenzflächenfestigkeit verringert. Die besten Ergebnisse der “Stand der Forschung” in Bezug auf Plättchensysteme beruhen auf der Funktionalisierung der Plättchenoberflächen durch chemische Methoden, doch können solche Methoden die Mörteldicke wie beim natürlichen Perlmutt noch nicht vollständig nachahmen.Um dieses Problem anzugehen, zielt das aktuelle Projekt darauf ab, den Mörtar durch Nano-Oberflächenmodifikation von Plättchen und der Bottom-up Aufbau des Mörtels mittels Moleküllagenabscheidung (MLD). Diese Methode bietet das Potenzial, sowohl die optischen als auch die mechanischen Eigenschaften zu optimieren, was zu "härteren Gläsern" führt. Der Hauptvorteil liegt in der präzisen Kontrolle der Grenzflächen und der Interphase, die durch mit MLD-Beschichtungen erreicht wird, sodass Mörtel mit nanometrischer Dicke (10-50 nm) und chemischer Bindung an die Plättchen, wie in natürlichem Perlmutt, erreicht werden können. Solche perlmuttartigen Verbundwerkstoffe könnten als Gasbarrierefolien, feuerfeste Folien, hochleitende, schlagfeste und strukturelle Materialien verwendet werden. Außerdem können MLD-beschichtete Partikel für Katalyse, Pharmazeutika, Pigmente, Tissue-Engineering sowie in der Energiespeicherung genutzt werden. Hier konzentrieren wir uns auf optische Anwendungen und streben eine hohe Transparenz und einen niedrigen Trübungsfaktor an. Die hier entwickelten Materialien könnten eine Alternative zum Ersatz herkömmlicher Smartphone-Bildschirme sein, die in der Regel spröde und anfällig für katastrophale Schäden sind.This project aims at developing bio-inspired nacre-like ceramic composites with functional integrated optical and mechanical properties. The work hypothesis is that the nano-engineered surface modification of platelets (“bricks”) via molecular layer deposition (MLD) will allow to precisely tailor the interphase (“mortar”) thickness, chemical composition and refractive index in an unprecedent way, enabling the fabrication of composites with integrated high toughness and high transparency. The MLD-engineered platelets are then assembled and 3D printed into bulk nacre-like (brick-and-mortar) structures, generating bulk transparent composites. Natural nacre has an interphase thickness of 10 to 50 nm, which is uniformly distributed around the platelets. Such uniformity and lower thickness are hardly reproduced by currently developed techniques. In addition, the interface between platelets and mortar is often produced by deposition or infiltration without any chemical reaction between mortar and platelets, which reduces the interfacial strength. The best "state of the art" results regarding platelet systems are based on the functionalization of platelet surfaces by chemical methods, but such methods cannot yet fully mimic the mortar thickness as in natural nacre. o address this issue, the current project aims to improve the mortar by nano-surface modification of platelets and bottom-up construction of mortar using molecular layer deposition (MLD). The proposed methodology offers the potential to optimize both the optical and the mechanical properties, leading to “tougher glasses”. The main advantage is the controlled and precise definition of interfaces and interphases, achieved by the engineering of the building blocks (platelets) with MLD coatings that are chemically bonded to the platelets (strong interface) with well-defined thickness (10-50 nm), mimicking the features of natural nacre. Such nacre-like composites find applications as gas-barrier films, fire-retardant films, high-conductivity, impact-resistant and structural materials. In addition, MLD-coated particles can be used for catalysis, pharmaceuticals, pigments, tissue engineering, and in energy storage. Here we focus on optical applications, targeting high transparency and low haze factor. The materials here developed could be an alternative to replace traditional smartphone screens, which are mainly brittle and prone to catastrophic failure.