Modulares Design in natürlichen und biomimetischen elastischen Materialien

Abstract

Unter Verwendung der zwanzig natürlichen Aminosäuren als Grundbausteine haben biologische Systeme während der Jahrmillionen unter evolutionärem und umweltbedingtem Druck stabile und leichte Peptid‐basierte Materialien entwickelt. Diese Materialien übertreffen ihre synthetischen Gegenstücke in mehrfacher Hinsicht: 1) Multifunktionalität/Abstimmbarkeit, 2) Anpassungsfähigkeit/Reizempfindlichkeit, 3) Synthese und Weiterverarbeitung bei Umgebungsbedingungen in wässrigem Medium und 4) Wiederverwertung und biologische Abbaubarkeit. Diese besonderen Eigenschaften können durch eine “Bottom‐up”‐Synthese und die hierarchische Organisation auf verschiedenen Längenskalen erreicht werden. Das Arbeitsgebiet der “Biomimikry” beschäftigt sich damit, die Gestaltungsprinzipien natürlicher Materialien und deren molekulare Bausteine aufzuklären und zu kopieren. Hier beschreiben wir, was bereits über Struktur und molekulare Mechanismen natürlicher polymerer Materialien erforscht wurde, sowie den Fortschritt in Richtung synthetischer “Nachbildungen” dieser bemerkenswerten Systeme.

Molecular Engineering of Fracture Energy Dissipating Sacrificial Bonds Into Cellulose Nanocrystal Nanocomposites

“…15–17 In this respect, novel molecular engineering approaches towards biomimetic toughness are needed to mimic sacrificial bonds and molecular architectures of biological matter to achieve suppression of catastrophic crack growth. Feasible tools are offered by advances in polymeric supramolecular chemistry,18 as well as in tailored polymers19 and soft matter 20…”

“…Feasible tools are offered by advances in polymeric supramolecular chemistry, [18] as well as in tailored polymers [19] and soft matter. [20] Nature has provided materials scientists with numerous hard nanoscale materials that can be used to mechanically reinforce biomimetic composites. Especially interesting are rod-like cellulose nanocrystals (CNC).…”

Feeling Inter‐ or Intramolecular Interactions with the Polymer Chain as Probe: Recent Progress in SMFS Studies on Macromolecular Interactions

“…[115][116][117] In addition, the application of SMFS in the field of biomimicry or biomimetics has made promising progress, [118] and much more can be expected in this direction. All of the information is obtained at the individual-molecule level, spanning from biological to material systems, and can not be achieved by conventional methods.…”

“…natural and synthetic fibers), investigation of polymer interactions may be extended from the covalent polymer system to noncovalent dynamic supramolecular polymers. [115][116][117] In addition, the application of SMFS in the field of biomimicry or biomimetics has made promising progress, [118] and much more can be expected in this direction. Another exciting direction may be the study of polymer interactions in functional polymer systems, such as conducting and light-emitting polymers, to correlate the force-induced structure/conformation change with the change in the corresponding function at the single-molecule level.…”