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Bioinspired Composites by External Fields

Applicant Demirörs Ahmet
Number 148040
Funding scheme Ambizione
Research institution Departement Materialwissenschaft ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Physical Chemistry
Start/End 01.01.2014 - 31.12.2016
Approved amount 427'828.00
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All Disciplines (3)

Discipline
Physical Chemistry
Material Sciences
Mechanical Engineering

Keywords (6)

dielectrophoresis; colloids; photolithography; self assembly; composites; anisotropic colloids

Lay Summary (German)

Lead
Lebende Organismen kombinieren weiche und harte Komponente um bio- Verbundmaterialien mit herausragenden Eigenschaften herzustellen. Diese Verbunde (z.B. Zahnschmelz, Dentin und Perlmutt) haben in allen drei Dimensionen örtlich optimierte Eigenschaften. Erreicht wird dies durch eine exakte Kontrolle der Orientierung und der Position von anisotropen Nano- und Mikrobausteinen. Dieses Projekt wird Biomaterialien nachahmen um effiziente Materialien mit hoher Festigkeit zu designen und herzustellen.
Lay summary

Inhalt und Ziel

Es wurde vorgeschlagen, dass Verbundwerkstoffe mit anisotropischen Partikel,bei denen die Partikelorientierung in ein, zwei oder drei Dimensionen kontrolliert wird, Materialien in spezifischen Richtungen verstärken. Angelegte magnetische/elektrische Felder stellen ein vielfältiges Instrument dar, um die Orientierung der Komponenten zu steuern. Entscheidend dabei ist allerdings nicht nur die räumliche Position, sondern auch die Ausrichtung der verstärkenden Partikel. Auch die Natur wendet diese raffinierten Mechanismen an, um lokal unterschiedliche mechanische Spannungen über mehrere Längenskalen und Modi (Scherung, Biegung und Torsion) zu bewältigen. Ich schlage hier  einen alternativen Ansatz zur Entwicklung komplexer Verbundwerkstoffe vor. Mit Hilfe von externen elektrischen Feldgradienten (im Gegensatz zu konstanten Feldern), der Dielektrophorese, lassen sich gleichzeitig die Raum-  und die Orientierungsverteilung der anisotropen Partikel kontrollieren.

Wissenschaftliche und gesellschaftliche Auswirkungen

Neben den möglichen Verbesserungen der mechanischen Eigenschaften künstlicher Konstruktionswerkstoffe [durch diese Designstrategie], verfügt die Selbstorganisation von Partikeln in Domänen im Mikrometerbereich über weitere mögliche Anwendungen, beispielsweise für photonische Kristalle, Sensoren und Mikrolinsen. Des Weiteren werden grundlegende Themen der Kolloidwissenschaft untersucht, wie räumlich begrenzte Kristallisation, Schmelze oder Glasbildung von Partikeln. Neue Strategien zur Kontrolle der räumlichen Verteilung und Ausrichtung anisotroper Partikel können die Herstellung von Materialien ermöglichen, die ähnlich komplex aufgebaut sind wie ihre biologischen Analoga. Dadurch erlangen sie mechanische Belastbarkeit und Robustheit, welche die ihrer natürlichen Vorbilder sogar übersteigen. Auf diese Weise ist es denkbar Materialien zu entwickelt, welche leicht wie Kunstoff, aber dennoch fest wie Stahl sind.

Direct link to Lay Summary Last update: 13.01.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Publications

Publication
Electric Field Assembly of Colloidal Superstructures
Demirörs Ahmet F., Alison Lauriane (2018), Electric Field Assembly of Colloidal Superstructures, in The Journal of Physical Chemistry Letters, 9(15), 4437-4443.
Colloidal shuttles for programmable cargo transport
Demirörs Ahmet F., Eichenseher Fritz, Loessner Martin J., Studart André R. (2017), Colloidal shuttles for programmable cargo transport, in Nature Communications, 8(1), 1872-1872.
Colloidal Switches by Electric and Magnetic Fields
Demirörs Ahmet Faik, Beltramo Peter J., Vutukuri Hanumantha Rao (2017), Colloidal Switches by Electric and Magnetic Fields, in ACS Applied Materials & Interfaces, 9(20), 17238-17244.
Colloidal assembly and 3D shaping by dielectrophoretic confinement
Demirörs Ahmet Faik, Crassous Jérôme J. (2017), Colloidal assembly and 3D shaping by dielectrophoretic confinement, in Soft Matter, 13(17), 3182-3189.
Multiscale directed self-assembly of composite microgels in complex electric fields
Crassous Jerome, Demiroers Ahmet, Crassous Jerome, Demiroers Ahmet (2017), Multiscale directed self-assembly of composite microgels in complex electric fields, in Soft Matter, 13, 88-100.
Multiscale directed self-assembly of composite microgels in complex electric fields
Crassous Jérôme J., Demirörs Ahmet F. (2017), Multiscale directed self-assembly of composite microgels in complex electric fields, in Soft Matter, 13(1), 88-100.
Magnetic assembly of transparent and conducting graphene-based functional composites
Le Ferrand Hortense, Bolisetty Sreenath, Demirörs Ahmet, Libanori Rafael, Studart André, Mezzenga Raffaele, Le Ferrand Hortense, Bolisetty Sreenath, Demirörs Ahmet, Libanori Rafael, Studart André, Mezzenga Raffaele (2016), Magnetic assembly of transparent and conducting graphene-based functional composites, in Nature Communications , 7, 12078.
Magnetofluidic Tweezing of Non-Magnetic Colloids
Timonen Jaakko, Demirörs Ahmet, Grzybowski Bartosz, Timonen Jaakko, Demirörs Ahmet, Grzybowski Bartosz (2016), Magnetofluidic Tweezing of Non-Magnetic Colloids, in Advanced Materials, 28(18), 3453.
Magnetophoretic Assembly of Anisotropic Colloids for Spatial Control of Reinforcement in Composites
Demiroers Ahmet, Demiroers Ahmet (2016), Magnetophoretic Assembly of Anisotropic Colloids for Spatial Control of Reinforcement in Composites, in The Journal of Physical Chemistry B, 120 (36), 9759-9765.
Periodically microstructured composite films made by electric- and magnetic-directed colloidal assembly
Demiroers Ahmet, Courty Diana, Libanori Rafael, Studart Andre, Demiroers Ahmet, Courty Diana, Libanori Rafael, Studart Andre (2016), Periodically microstructured composite films made by electric- and magnetic-directed colloidal assembly, in PNAS, 113 (17), 4623- 4628.
Long-Ranged Oppositely Charged Interactions for Designing New Types of Colloidal Clusters
Demiroers Ahmet, Stiefelhagen Johan, Vissers Teun, Smallenburg Frank, Dijkstra Marjolein, Imhof Arnout, van Blaaderen Alfons, Demiroers Ahmet, Stiefelhagen Johan, Vissers Teun, Smallenburg Frank, Dijkstra Marjolein, Imhof Arnout, van Blaaderen Alfons (2015), Long-Ranged Oppositely Charged Interactions for Designing New Types of Colloidal Clusters, in Physical Review X, 5, 021012.
Robust Microcompartments with Hydrophobically Gated Shells
Sander Jonathan S., Steinacher Mathias, Loiseau Eve, Demirörs Ahmet F., Zanini Michele, Isa Lucio, Studart André R., Sander Jonathan S., Steinacher Mathias, Loiseau Eve, Demirörs Ahmet F., Zanini Michele, Isa Lucio, Studart André R. (2015), Robust Microcompartments with Hydrophobically Gated Shells, in Langmuir, 31(25), 6965-6970.

Collaboration

Group / person Country
Types of collaboration
Jerome Crassous/ Lund University Sweden (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure
Burak Eral, Willem Kegel/TU Delft, Utrecht University Netherlands (Europe)
- in-depth/constructive exchanges on approaches, methods or results
- Publication
- Research Infrastructure

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Swiss Soft Matter Days Talk given at a conference Dielectrophoretic Tweezers 30.03.2016 Zurich, Switzerland Demirörs Ahmet;
APS March Meeting Talk given at a conference Bioinspired Composites with Spatial and Orientational Control of Reinforcement 14.03.2016 Baltimore, MD, United States of America Demirörs Ahmet;
Jülich Soft Matter Days 2015 Poster Bioinspired Composites with Spatial and Orientational Control of Reinforcement 10.11.2015 Bad Honnef, Germany Demirörs Ahmet;
European Colloid and Interface Society Conference Talk given at a conference Spatial and Orientational Control on Anisotropic Colloids by Electric and Magnetic Fields 06.09.2015 Bordeaux, France Demirörs Ahmet;
Soft Condensed Matter and Beyond Symposium Talk given at a conference Bioinspired Composites: Spatial Control of Colloids by Electric and Magnetic Fields 19.12.2014 Utrecht, Netherlands Demirörs Ahmet;
Liquids 2014, 9th Liquid Matter Conference Talk given at a conference Colloidal assembly directed by virtual magnetic mould 21.07.2014 Lisbon, Portugal Demirörs Ahmet;
ACS Colloids and Surface Symposium Talk given at a conference Colloidal assembly directed by virtual magnetic moulds 22.06.2014 Philadelphia, United States of America Demirörs Ahmet;
Swiss Soft Days Talk given at a conference Colloidal assembly directed by virtual magnetic moulds 14.02.2014 Zurich, Switzerland Demirörs Ahmet;


Awards

Title Year
NWO (Dutch National Science Foundation) VISITORS TRAVEL GRANT 2016

Abstract

Living organisms combine soft and hard components to fabricate biocomposites with outstanding mechanical properties. These composites (e.g. enamel, dentin and nacre) usually have spatially optimized properties in all three dimensions, achieved by accurately controlling the orientation and position of the anisotropic nano/micro-sized building blocks. This project will mimic the biomaterials to design and fabricate strong, smart materials.
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