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Jun 05, 2023

Das Chamäleon der Chemie: Das Selbst

Von Florida State University, 6. Juli 2023 Beispiele für chemische Gärten, die im Labor von Oliver Steinbock, Professor für Chemie an der Florida State University, angelegt wurden. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung von Florida State

Von der Florida State University, 6. Juli 2023

Beispiele für chemische Gärten, die im Labor von Oliver Steinbock, Professor für Chemie an der Florida State University, angelegt wurden. Bildnachweis: Mit freundlicher Genehmigung der Florida State University

Florida State UniversityFlorida State University (Florida State or FSU) is a public space-grant and sea-grant research university in Tallahassee, Florida, United States that was established in 1851. The university comprises 16 separate colleges and more than 110 centers, facilities, labs, and institutes that offer more than 360 programs of study, including professional school programs." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Wissenschaftler der Florida State University haben ein mathematisches Modell entwickelt, das das Wachstum, die Musterbildung und die Selbstheilungseigenschaften chemischer Gärten erklärt. Diese Erkenntnisse könnten zur Entwicklung selbstreparierender Materialien führen.

Seit Mitte des 16. Jahrhunderts sind Chemiker von farbenfrohen, korallenähnlichen Strukturen fasziniert, die durch das Mischen von Metallsalzen in einer kleinen Flasche entstehen.

Bisher konnten Forscher nicht modellieren, wie diese täuschend einfachen röhrenförmigen Strukturen – sogenannte chemische Gärten – funktionieren und welche Muster und Regeln ihre Entstehung bestimmen.

In einem Artikel, der diese Woche in den Proceedings of the National Academy of Sciences veröffentlicht wurde, stellen Forscher der Florida State University ein Modell vor, das erklärt, wie diese Strukturen nach oben wachsen, unterschiedliche Formen annehmen und wie sie von einem flexiblen, selbstheilenden Material zu einem flexiblen, selbstheilenden Material werden spröderes.

“In a materials context, it’s very interesting,” said FSU Professor of Chemistry and Biochemistry Oliver Steinbock. “They don’t grow like crystals. A crystal has nice sharp corners and grows atomAn atom is the smallest component of an element. It is made up of protons and neutrons within the nucleus, and electrons circling the nucleus." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> Atomschicht für Atomschicht. Und wenn in einem Chemiegarten ein Loch entsteht, erfolgt die Selbstheilung. Dies sind wirklich frühe Schritte, um zu lernen, wie man Materialien herstellt, die sich selbst rekonfigurieren und reparieren können.“

Typischerweise entstehen chemische Gärten, wenn Metallsalzpartikel in eine Silikatlösung gegeben werden. Das sich auflösende Salz reagiert mit der Lösung und bildet eine semipermeable Membran, die in der Lösung nach oben ragt und eine biologisch aussehende Struktur, ähnlich einer Koralle, erzeugt.

Wissenschaftler beobachteten erstmals im Jahr 1646 Chemiegärten und sind seit Jahren von ihren interessanten Formationen fasziniert. Die Chemie hängt mit der Bildung hydrothermaler Quellen und der Korrosion von Stahloberflächen zusammen, wo sich unlösliche Röhren bilden können.

„Den Leuten wurde klar, dass das seltsame Dinge waren“, sagte Steinbock. „Sie haben eine sehr lange Geschichte in der Chemie. Es ähnelte eher einem Demonstrationsexperiment, aber in den letzten 10 bis 20 Jahren interessierten sich Wissenschaftler wieder für sie.“

Die Inspiration für das mathematische Modell, das Steinbock zusammen mit dem Postdoktoranden Bruno Batista und dem Doktoranden Amari Morris entwickelte, kam von Experimenten, bei denen eine Salzlösung gleichmäßig in ein größeres Volumen einer Silikatlösung zwischen zwei horizontalen Platten injiziert wurde. Diese zeigten deutliche Wachstumsmodi und dass das Material anfangs dehnbar war, mit zunehmendem Alter jedoch steifer wird und zum Brechen neigt.

Die Eingrenzung zwischen zwei Schichten ermöglichte es den Forschern, eine Reihe unterschiedlicher Formmuster zu simulieren, von denen einige wie Blumen, Haare, Spiralen und Würmer aussahen.

In ihrem Modell beschrieben die Forscher, wie diese Muster im Laufe der Entwicklung des Chemiegartens entstehen. Salzlösungen können in ihrer chemischen Zusammensetzung stark variieren, ihr Modell erklärt jedoch die Universalität der Bildung.

Die Muster können beispielsweise aus losen Partikeln, gefalteten Membranen oder sich selbst erstreckenden Filamenten bestehen. Das Modell bestätigte auch Beobachtungen, dass sich frische Membranen als Reaktion auf Mikrobrüche ausdehnen, was die Selbstheilungsfähigkeiten des Materials demonstriert.

„Das Gute daran ist, dass wir die Essenz dessen verstanden haben, was zur Beschreibung der Form und des Wachstums von Chemiegärten erforderlich ist“, sagte Batista.

Referenz: „Musterauswahl durch Materialalterung: Modellierung chemischer Gärten in zwei und drei Dimensionen“ von Bruno C. Batista, Amari Z. Morris und Oliver Steinbock, 3. Juli 2023, Proceedings of the National Academy of Sciences.DOI: 10.1073/pnas. 2305172120

This work was supported by NASAEstablished in 1958, the National Aeronautics and Space Administration (NASA) is an independent agency of the United States Federal Government that succeeded the National Advisory Committee for Aeronautics (NACA). It is responsible for the civilian space program, as well as aeronautics and aerospace research. Its vision is "To discover and expand knowledge for the benefit of humanity." Its core values are "safety, integrity, teamwork, excellence, and inclusion." NASA conducts research, develops technology and launches missions to explore and study Earth, the solar system, and the universe beyond. It also works to advance the state of knowledge in a wide range of scientific fields, including Earth and space science, planetary science, astrophysics, and heliophysics, and it collaborates with private companies and international partners to achieve its goals." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">NASA und die National Science Foundation.