Kodierte Selbstorganisation von Nanopartikeln und Mechanismen der nichtklassischen Kristallisation

Nanoskopisch strukturierte Materialien aus biologischen Makromolekülen (Proteinen und Polysacchariden) und anorganischen Materialien (mineralischer Bestandteil) besitzen herausragende physikalische Eigenschaften wie am Beispiel der Biomineralien Perlmutt oder Knochen exemplarisch gezeigt werden kann. Die gezielte Verbindung solcher organischen und anorganischen Komponenten im Bereich von wenigen Nanometern stellt immer noch eine große Herausforderung dar. Im Rahmen dieses Projekts werden definiert aufgebaute und modifizierte Proteine dazu verwendet durch die in der Sequenz kodierte Information die Selbstorganisation von Nanopartikeln bzw. deren nichtklassische Kristallisation in einer definierten Geometrie und gegenseitiger Ausrichtung der anorganischen Nanopartikel vorzunehmen. Dabei wird ein ringförmiges fibrillenbildendes Protein als Gerüst und ein elastisches Protein zur Kontrolle der Nanopartikelbildung und Anheften an das Gerüst verwendet. Durch Modifikation des elastischen Proteins sind eine Vielzahl anorganischer Materialien anbindbar. Als anorganische Nanopartikel sollen für unseren modularen Ansatz die Biomineralien Calciumcarbonat, -phosphat und –oxalat eingesetzt werden, um die Struktur der aufgebauten Materialien mit der entsprechender Biomineralien zu vergleichen und Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften zu ziehen. Weiterhin sollen Metallnanopartikel (Änderung der optischen Eigenschaften) und Halbleiternanopartikel (Photowiderstand, Fluoreszenz) sowie Magnetit (Magnetismus) eingesetzt werden.

Auf diese Weise sollen Hybridmaterialien mit kontrollierbaren optischen, magnetischen und mechanischen Eigenschaften über einen bioinspirierten modularen Ansatz hergestellt und charakterisiert werden. Dadurch lassen sich beispielsweise neue Wege zu elastischen, nanoskopisch schaltbaren Magneten entwickeln die ein weites Anwendungsspektrum in der elektronischen Datenspeicherung, als Kontrastmittel für die medizinische Diagnostik (z.B. MRT) sowie sensorische und elektronische Anwendungen haben.