Molekular gesteuerte Aggregation von Nano-Kompositkristallen

Abstract

Die folgende Arbeit beschäftigt sich mit der Kristallisationskontrolle von Biomineralen am Beispiel von Calciumcarbonat zum einen durch funktionalisierte Nanopartikel und zum anderen durch Kompartimente in Kombination mit organischen (Bio-) Makromolekülen. Ziel dieser Arbeit war es, die in der Natur zugrunde gelegten Mechanismen der molekularen Selbstanordnung bei der Bildung von Biomineralen durch Modellsubstanzen zu imitieren und somit näher zu verstehen. Zum Zwecke der Beeinflussung des Kristallwachstums und der anschließenden Analyse der Kompositkristalle wurden verschiedene Janus-artige Nanopartikelsysteme synthetisiert und charakterisiert. Diese zeichnen sich aufgrund ihrer Flexibilität bei der Funktionalisierung durch ein unterschiedliches und variables Verhalten in Lösung aus und dienen somit dem Zweck, verschiedene Arten der Wechselwirkungen zwischen Additiv und Mineral zu imitieren. Gleichzeitig dienen diese Additive als Erweiterung zu den bisher verwendeten rein organischen Molekülen aufgrund ihrer optoelektronischen Eigenschaften als ideale Analysewerkzeuge. Besonders bei anisotroper Funktionalisierung der Nanopartikel spielt das aus der Natur bekannte Prinzip der molekularen Selbstorganisation in Lösung eine entscheidende Rolle, welches zur Imitation von organischen Mizellen und Monolagen führt, die die Kristallbildung beeinflussen. Des Weiteren wurden Membrane mit definierter Porengröße mittels der Doppeldiffusionsmethode verwendet, in denen in Anlehnung an Zellkompartimente Biominerale mit ungewöhnlicher Morphologie unter Zuhilfenahme von (Bio-)Makromolekülen erhalten wurden. In Abhängigkeit der zugesetzten Additive lassen sich somit die Reaktionsbedingungen in Mikroreaktionsräumen und die Einflüsse verschiedener Parameter auf die Morphologie und Polymorphie des Biominerals untersuchen. Letztere Versuche wurden auch an einem weiteren pflanzenphysiologisch wichtigen Biomineral, dem Calciumoxalat, durchgeführt.

The following thesis deals with the influences of selectively functionalized nanoparticle systems on the nucleation and growth of biominerals, i.e. calcium carbonate, on the one hand, and with crystallization in confined space influenced by organic (bio-) macromolecules on the other. The aim was to mimic nature´s principle of molecular self-assembly during precipitation of biominerals through the use of model substances, thereby learning something about molecular interactions. Therefore, different Janus-like nanoparticle systems were synthesized and characterized in order to influence and study the mechanisms affecting the precipitation of biominerals. Due to their flexibility in addressability, the Janus-nanoparticles serve as appropriate substances to study different chemical behavior of nanoparticle/nanoparticle- and nanoparticle/biomineral- interactions in solution. As an extension of common organic additives, the nanoparticle systems used herein with their inherent optoelectronic properties are ideal tools for subsequent analysis in the precipitated minerals. Especially, anisotropically functionalized Janus-nanoparticles imitate the influences of micelles and self-assembled monolayers (SAMs) on crystallization in a quite comparable way to organic analogues. The second system which is discussed in this work makes use of membranes with defined pores via the double-diffusion method, which mimics the principle of confined space known from cell compartments in animals and plants. This system generates crystals with unusual morphologies with the aid of (bio-) macromolecules. The reaction conditions for crystallization in confined space were elucidated by using different additives and their effects on morphology and polymorphism of the generated biominerals. These were also tested with another physiologically important biomineral, i.e. calcium oxalate.