Molecular Self-Assembly in Biomaterials

Seltenerdmagnete sind starke Permanentmagnete aus Legierungen seltener Erden. Sie wurden in den 1970er und 1980er Jahren entwickelt; die gängigsten Typen sind Neodym-Magnete (NdFeB) und Samarium-Kobalt-Magnete (SmCo). Sie sind die stärksten Permanentmagnete überhaupt und erzeugen deutlich stärkere Magnetfelder als Ferrit- oder Alnico-Magnete. Dadurch ermöglichen sie Miniaturisierung und Leistungssteigerung in vielen Technologien. Hinweis: Der Begriff „Seltenerdelement“ ist historisch irreführend. Diese Elemente kommen in der Erdkruste nicht außergewöhnlich selten vor. Cer, das am häufigsten vorkommende Element, ist ähnlich wie Kupfer das 25.-häufigste Element. Selbst das am wenigsten vorkommende stabile Seltene Erdelement, Lutetium, kommt fast 200-mal häufiger vor als Gold. Die Bezeichnung „selten“ entstand, weil die Elemente schwer zu trennen waren.

Ein Lithium-Ionen-Akku (Li-Ionen) ist ein wiederaufladbarer Akku, bei dem Lithiumionen beim Entladen von der negativen Elektrode (Anode) durch einen Elektrolyten zur positiven Elektrode (Kathode) und beim Laden wieder zurück wandern. Als Kathodenmaterial dient eine interkalierte Lithiumverbindung, als Anode typischerweise Graphit. Die hohe Reaktivität von Lithium ermöglicht eine hohe Energiedichte.

Der CIE-Weißheitsindex ist eine standardisierte Formel der Internationalen Beleuchtungskommission zur Quantifizierung der Wahrnehmung von Weißheit. Er wird aus den CIE-Dreistimuluswerten (X, Y, Z) und den Farbwertkoordinaten (x, y) der Probe und einer Referenzlichtquelle berechnet. Die Primärformel lautet [latex]W_{CIE} = Y + 800(x_n - x) + 1700(y_n - y)[/latex].

Die ISO-Norm 5725 definiert Genauigkeit als die Kombination von Richtigkeit und Präzision. Richtigkeit ist die Übereinstimmung des Mittelwerts einer großen Messreihe mit dem akzeptierten Referenzwert und quantifiziert den systematischen Fehler oder die Verzerrung. Präzision ist der Grad der Übereinstimmung zwischen einer Reihe von Ergebnissen, der den Zufallsfehler quantifiziert. Genauigkeit erfordert also sowohl eine hohe Richtigkeit als auch eine hohe Präzision.

Der Lotus-Effekt beschreibt die selbstreinigende Eigenschaft der Blätter der Lotuspflanze. Ihre Oberfläche ist mit mikroskopisch kleinen Papillen bedeckt, die mit epikutikulären Wachskristallen beschichtet sind, wodurch eine superhydrophobe Oberfläche entsteht. Wassertropfen perlen mit einem hohen Kontaktwinkel ([latex]\theta > 150^{\circ}[/latex]) und einem geringen Abrollwinkel ab und nehmen beim Abrollen Schmutzpartikel auf, wodurch das Blatt gereinigt wird.

Das Designprinzip von MOFs basiert auf der retikulären Chemie. Dabei werden vorbestimmte molekulare Bausteine ​​(Metallknoten und organische Linker) zu ausgedehnten, geordneten Strukturen mit vorhersagbarer Topologie zusammengesetzt. Ein wichtiges Beispiel für dieses Prinzip ist die Synthese isoretikulärer MOFs, bei denen die zugrundeliegende Netzwerktopologie erhalten bleibt, während die Porengröße durch die Verwendung zunehmend längerer organischer Linker systematisch erweitert wird.

Die Skalierungsgesetze für MEMS beschreiben, wie sich die physikalischen Kräfte und Eigenschaften ändern, wenn die Abmessungen der Geräte auf die Mikroskala schrumpfen. Im Gegensatz zur makroskopischen Welt, die von Schwerkraft und Trägheit beherrscht wird, werden Mikrodomänen von Oberflächenkräften wie Oberflächenspannung, Viskosität und elektrostatischen Kräften bestimmt. Zum Beispiel skaliert die Schwerkraft mit dem Volumen ([latex]L^3[/latex]), während die elektrostatische Kraft mit der Fläche ([latex]L^2[/latex]) skaliert und bei kleineren Abmessungen relativ stärker wird.

Neodym-Magnete sind die stärksten kommerziell erhältlichen Permanentmagnete. Sie bestehen aus einer ternären Legierung aus Neodym, Eisen und Bor mit der stöchiometrischen Formel Nd2Fe14B. Ihre enorme magnetische Stärke resultiert aus der hohen magnetischen Anisotropie und Sättigungsmagnetisierung des Materials, die sich aus seiner tetragonalen Kristallstruktur ergibt. Sie sind jedoch spröde, korrosionsanfällig und haben eine niedrige Curie-Temperatur.

Ein Einzelelektronentransistor (SET) ist ein Schaltgerät, das kontrolliertes Elektronentunneln nutzt, um den Fluss einzelner Elektronen zu manipulieren. Er besteht aus einem Quantenpunkt (der „Insel“), der über Tunnelverbindungen mit Source- und Drain-Anschlüssen und kapazitiv mit einer Gate-Elektrode verbunden ist. Seine Funktionsweise basiert auf dem Coulomb-Blockade-Effekt, der extreme Empfindlichkeit und geringen Stromverbrauch ermöglicht.

Im Jahr 1986 entdeckten Georg Bednorz und K. Alex Müller die Supraleitung in einem keramischen Material, einem auf Lanthan basierenden Cuprat-Perowskit, bei einer kritischen Temperatur von etwa 35 K. Dies war deutlich höher als der damalige Rekord von etwa 23 K für konventionelle Supraleiter und widerlegte die Annahme, dass Supraleitung auf viel niedrigere Temperaturen beschränkt sei. Damit eröffnete sich das Feld der Hochtemperatur-Supraleitung.

Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) sind zylindrische Moleküle aus aufgerollten Schichten einschichtiger Kohlenstoffatome (Graphen). Sie können einwandig (SWCNTs) oder mehrwandig (MWCNTs) sein. Ihre Eigenschaften sind außergewöhnlich, darunter eine außergewöhnliche Zugfestigkeit (~100 GPa), hohe elektrische Leitfähigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit. Ihr elektronisches Verhalten (metallisch oder halbleitend) hängt von ihrer Chiralität ab, d. h. vom Winkel, in dem sich das Graphengitter aufrollt.

Metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) sind kristalline, poröse Materialien, die aus metallhaltigen Knoten (sekundären Baueinheiten, SBUs) und organischen Liganden, sogenannten Linkern, aufgebaut sind. Diese Komponenten ordnen sich selbst zu ausgedehnten ein-, zwei- oder dreidimensionalen Koordinationspolymeren an. Die Wahl des Metalls und des Linkers bestimmt die Topologie, Porengröße und chemische Funktionalität des resultierenden Gerüsts und ermöglicht so ein hohes Maß an Anpassungsfähigkeit für spezifische Anwendungen.

Die Solvothermalsynthese ist die gängigste Methode zur Herstellung hochwertiger, kristalliner Metall-Organischer Gerüstverbindungen. Dabei wird eine Lösung aus Metallsalz und organischem Linker in einem geschlossenen Gefäß, beispielsweise einem teflonbeschichteten Autoklaven, erhitzt. Die erhöhte Temperatur und der erhöhte Druck erleichtern die Auflösung der Vorläufer und fördern die Kristallisation des thermodynamisch stabilen MOF-Produkts über mehrere Stunden oder Tage.

Ein charakteristisches Merkmal von Metall-organischen Gerüstverbindungen ist ihre außergewöhnlich hohe innere Oberfläche und Porosität. Die geordnete, kristalline Struktur erzeugt klar definierte Poren und Kanäle, wodurch Brunauer-Emmett-Teller-Oberflächen (BET) von über 7.000 m²/g entstehen. Dieser Wert übertrifft herkömmliche poröse Materialien wie Zeolithe oder Aktivkohle bei weitem und macht die enorme innere Oberfläche für die molekulare Adsorption leicht zugänglich.