Untersuchung der Struktur von Biomineralien zur Herstellung biomimetischer Materialien

Lübke, Alwina GND

In dieser Arbeit wurden einige Ergebnisse zur Untersuchung der Struktur und chemischen Zusammensetzung von fossilen und rezenten Biomineralien vorgestellt. Dabei wurde der Fokus auf die Erforschung von Zähnen und Knochen gelegt. Während bei den rezenten Proben wie der Zähne von P. pipistrellus, C. fiber und Fukomys Ultrastrukturen gefunden wurden, die gut mit der Literatur in Einklang zu bringen sind, oder diese sogar ergänzen, waren die versteinerten Proben der Haie und Rochen oft zu stark verändert, um noch eine vergleichbare Struktur zu lebenden Verwandten zu erkennen. Die Zähne der Krokodile und der Zahn des nicht identifizierten Eozän-Säugetiers zeigten viele Ähnlichkeiten zu den Zähnen lebender Krokodile. Der Vergleich der chemischen Zusammensetzung und kristallographischer Daten brachte zum Vorschein, dass alle versteinerten Knochen und Zähne Fremdionen wie Fluorid enthielten; viele auch weitere Artefakte wie SiO2. Die Anwesenheit des Fluorids in versteinerten Knochen bestätigt die Vermutung, dass es sich um dabei um ein Artefakt handeln muss und Fluorid zu Lebzeiten einiger Wirbeltiere wie Dinosauriern wahrscheinlich nicht vorhanden war. Das hier vorgestellte Forschungsgebiet ist ein sehr weitreichendes und interessantes. Durch die immer besser werdenden Analysegeräte wie Elektronenmikroskope, µCT und Detektoren bieten sich immer mehr Möglichkeiten, die Strukturen von Zähnen und Knochen zu untersuchen. Dabei ist es egal, ob es sich um versteinerte oder rezente Proben handelt oder wie klein die vorhandenen Probenmengen sind. Die Vielzahl der Fossilien, die schon gefunden wurden und jeden Tag gefunden werden, lässt die Quelle der zu untersuchenden Proben nicht versiegen. Die Übertragung des bereits bekannten Prinzips der magnesiothermischen Konversion auf größere Siliciumdioxid-Strukturen ist von großem Interesse. Solche porösen Strukturen aus Silicium könnten als Bauteile in Lithium-Ionen-Batterien eingesetzt werden. Die Konversion konnte nicht reproduzierbar zum gewünschten Produkt durchgeführt werden. Die Entstehung vorhandener Nebenprodukte wie MgSiN2 konnte nicht verhindert werden und die eingesetzte Aufreinigung führte ebenfalls nicht zum gewünschten Ergebnis. Als Problem wurde die Anwesenheit von elementarem Stickstoff während der Konversion identifiziert. Die Konversion sollte unter Ausschluss des Stickstoffs zum erwünschten reinen Silicium führen. Die Möglichkeit, die Nebenprodukte gar nicht erst entstehen zu lassen, löst allerdings nicht das Problem der Stabilität des konvertierten Schwammes. Nach der Konversion sind die Strukturen sowohl laut REM als auch mit dem bloßen Auge sichtbar fragiler als vor der Konversion. Das Sintern hat hier einen Ansatz geliefert, die Strukturen etwas zu stabilisieren, aber nicht in dem Maße wie es wünschenswert wäre. Dementsprechend bieten sich auch hier noch Optimierungsmöglichkeiten.

This thesis dealt with the study of the structure and chemical composition of fossile and recent biominerals, examining especially teeth and bones. Samples of recent teeth of the species P. pipistrellus, C. fiber and Fukomys showed structures which can be compared with published data. In contrary, the samples of the fossilized teeth of sharks and rays were so altered that the structure could not be identified or compared to living relatives. The crocodile teeth and the non-identified eocene mammal tooth showed many similarities to the teeth of living crocodiles. The comparison of the chemical composition and the crystallographic properties revealed that all fossilized samples contained ions like fluoride or artefacts like silicon dioxide. Finding fluoride in the fossilized bone samples supported the theory that it had to be an artefact and that mammals like dinosaurs did not have fluoride in their teeth while living. This field of study is a very interesting one. Because of the constantly improving methods like electron microscopes, µCT or new detectors, the structures of mineralised biological samples like bones and teeth can be analysed much faster and more efficiently. Furthermore, the type of the sample is not decisive: whether it is a recent or fossilized sample and even the amount of sample needed is decreasing with improving methods. The variety of fossils that have been found and are found every day give almost limitless sample resources. The other part of the thesis focused on the transfer of the known principle of the magnesiothermic conversion of silicate biotemplates to bigger structures. Such porous silicon structures are interesting because of their possibilities to be used in lithium-ion-batteries. The conversion of the Euplectella aspergillum could not be carried out reproductibly to the required silicon structure. Side products like MgSiN2 were formed. Their formation could not be prevented and the way of cleaning used was not able to remove those side products. One way to eliminate those side products is to carry out the conversion in the absence of nitrogen so that the nitride cannot be formed. Nevertheless, removing the side products or prevent them from forming would not solve the problem of the decreasing mechanical stability of the silicon structure after conversion. SEM images as well as the general impression imply a higher fragility of the silicon structure compared to the silicondioxide template. We figured that sintering could improve the stability of the silicon but the effect was not enough to get a stable porous silicon structure. Hence there is still some room for improvement.

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Lübke, Alwina: Untersuchung der Struktur von Biomineralien zur Herstellung biomimetischer Materialien. 2019.

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