Vorlesung Bioinspirierte Materialien

(Stand: 10. 2020)

Inhalt der Lehrveranstaltung

Die Lehrveranstaltung wird im Rahmen der „Werkstoffwissenschaftlichen Vertiefung“ gehalten und befasst sich mit der Übertragung natürlichen Konstruktionsprinzipien auf technische Produkte, ein Verfahren, dass unter den Namen „Bioinspiration“, „Biomimetik“ und „Bionik“ bekannt ist. Die Spezifika der drei Begriffe werden erläutert.

Im Einzelnen folgende Themen behandelt:

• Bioinspirierte Materialien – noch Material oder schon Konstruktion?
• Abstraktion als Grundelement des bioinspirierten Designs – Designprinzipien
• Materialinhärente Funktionalitäten als Prinzip bioinspirierter Materialien
• Physikalische Prozesse und chemische Reaktionen der Bildung bioinspirierter Materialien
  • Selbstorganisation/Self Assembly
  • Templating
  • Hierarchische Strukturen/Multiscale structures
• Molekulare Grundlagen der Prozesse und Reaktionen
• Designprinzipien aus der Biologie für die Technik
  • Dominanz leichter Elemente: C, N, O, H, Ca, P, S, Si….
  • Generell wenige Grundstoffe
  • Diversität der Funktionen durch Anpassung von Form und Struktur statt durch Materialauswahl
  • Fähigkeit zur Selbstheilung
  • Hierarchische Strukturierung in allen Größenordnungen (intrinsisch)
  • Wachstum durch biologisch kontrollierte Selbstorganisationsprozesse (Approximation) bei ca. 300K, 1 atm, Gegenwart von Wasser
• Vorstellung von komplexen biologischen Materialien wie Holz, Gräser, Eierschale, Knochen, Perlmutt, Spinnenseide u.a. sowie daraus gebildeten Konstrukten, wie Osteodermen (z.B. bei Krokodilen), Anti-Delaminierungsstrukturen zur Schock-Adsorption (z.B. bei Horntieren und Spechten) und Attachement-Systemen (z.B. Gecko-Füßen).
• Erklärung des Aufbaus der genannten Materialien
• Erläuterung von technischen, synthetischen Materialien, die auf Konstruktions- und/oder Syntheseprinzipien der genannten biologischen Materialien beruhen.
• Vorstellung ausgewählter technischer Produkte, die solcherart biomimetisch synthetisiert werden und deren Herstellungsverfahren. Verknüpfung mit den biomimetischen Designprinzipien.