Medizinische Biophysik Struktur der Materie II. Aggregatzustände: feste Körper, Flüssigkristalle 5. Fester Aggregatzustand - amorphe Stoffe

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1 Medizinische Biphysik Struktur der Materie II. Aggregatzustände: feste Körper, Flüssigkristalle 5. Fester Aggregatzustand - amrphe Stffe a) Makrskpische Beschreibung: b) Mikrskpische Beschreibung: 6. Flüssigkristalle a) Makrskpische Beschreibung: b) Mikrskpische Beschreibung: c) Anwendungen vn Flüssigkristallen: d) Lytrpe Flüssigkristalle: 7. Phase, Phasendiagramm, Phasenübergänge 3. Vrlesung III. Materialfamilien 1. Metalle 2. Keramiken 3. Plymere 4. Kmpsite IV. Eigenschaften der Materialien 1. Thermische Eigenschaften a) Erwärmung/Abkühlung b) Wärmeausdehnung 2. Einige mechanischen Eigenschaften a) Defrmatinstypen: b) Belastungsdiagramm: c) Dehnung (Zug): d) Hkesches Gesetz und die Steifigkeit : e) Festigkeit: f) Zähigkeit: 1 3. Elektrische Eigenschaften 5. Fester Aggregatzustand - amrphe Stffe a) Makrskpische Beschreibung: Eigenvlumen aber keine Eigenfrm Istrp sehr hhe Visksität b) Mikrskpische Beschreibung: Nahrdnung Schwache Bewegungen Quartz Z.B. Glas, Harz, Wachs, Bitumen,... = gefrrene unterkühlte Flüssigkeiten, Gläser! Glas 2 6. Flüssigkristalle - Mesphase zw. dem festen und flüssigen Zustand 1883 Reinitzer smektisch c) Anwendungen vn Flüssigkristallen: Kntaktthermgraphie/Plattenthermgraphie Grundlage: therm-ptisches Phänmen (bei Temperaturänderungen ändern sich die ptischen Eigenschaften) a) Makrskpische Beschreibung: Eigenvlumen aber keine Eigenfrm Optische Anistrpie Eigenschaften sind empfindlich gegen schwache äußere Einwirkungen b) Mikrskpische Beschreibung: Teilweise gerdnete Strukturen (Orientierung, Schichten) nematisch chlesterisch 3 4 1

2 Quratz Tridymit Cristbalit LCD (liquid crystal display) Grundlage: elektr-ptisches Phänmen (durch elektrisches Feld ändern sich die ptischen Eigenschaften) d) Lytrpe Flüssigkristalle: Beispiel Phsphlipidmlekül Hydrphiler Teil Hydrphber Teil unplarisiertes Licht 1. Plarisatr Lamellare Struktur gedrehte nematische Struktur Orientierungsfläche Flüssigkristallmleküle Orientierungsfläche Steuerspannung Lipsm Lichtaustritt (durchsichtig) 2. Plarisatr kein Lichtaustritt (undurchsichtig) Erklärung siehe später bei den Wechselwirkungen zwischen Licht und Materie! Phase, Phasendiagramm, Phasenübergänge Z.B. SiO 2 Aggregatzustände bei H 2 O: fest flüssig gasförmig T 0ºC 100ºC fest flüssig gasförmig 870ºC 1470ºC 1713ºC 2230ºC T Phasenübergang: Übergang aus der unter den neuen Umständen schn instabilen Phase in die stabile Phase plymrphe Mdifikatinen vn SiO 2 Siedepunkt Phase: physikalisch und chemisch hmgener Stffbereich Stabile Phase: unter den gegebenen Umständen die energetisch günstigste Phase Phasen H 2 O Phasendiagramm: Darstellung der stabilen Phasen bei verschiedenen Bedingungen (Druck - p, Temperatur - T, Knzentratin - c, ) Sublimatinspunkt Schmelzpunkt Bindungsenergie! 7 8 2

3 III. Materialfamilien KERAMIKEN METALLE Metallbindung Verbindungen vn metallischen und nichtmetallischen Elementen. 1. Metalle Definitin: Metallbindung Bindungstyp: Metallbindung Aggregatzustand bei üblichen Bedingungen: fest (kristallin) mit einigen Ausnahmen (z.b.hg) Struktur: Plykristalle, aber Einkristalle und amrphe Metalle (Metallgläser) auch möglich Beispiele aus der Medizin: Titan, Ni-Ti-Legierungen Anwendungsbeispiele: Implantate, Zahnkrne, Brücke metallisches Glas Tantaleinkristall POLYMERE KOMPOSITE Bestehen aus durch Wiederhlung einer Grundeinheit aufgebauten kettenförmigen Mlekülen. Bestehen aus mindestens zwei Materialien der früheren 3 Familien Keramiken Definitin: Verbindungen vn metallischen und nichtmetallischen Elementen. Bindungstyp: Inenbindung, weniger auch kvalente Bindung Aggregatzustand bei üblichen Bedingungen: fest (kristallin/amrph) Struktur: Plykristalle/Einkristalle/amrphe Struktur (Gläser) Beispiele aus der Medizin: Al 2 O 3, Przellan, ZrO 2, HAP Anwendungsbeispiele: Implantate, Zahnkrne, Brücke HAP Al 2 O 3 ZrO 2 3. Plymere Definitin: Bestehen aus durch Wiederhlung einer Grundeinheit aufgebauten kettenförmigen Mlekülen. Bindungstyp: kvalente Bindung+sekundäre Bindungen Aggregatzustand bei üblichen Bedingungen: flüssig/fest (kristallin/amrph) Struktur: teilkristallin Beispiele aus der Medizin: Plymethylmethacrilate (PMMA), Plydimethylsilxan (PDMS) Anwendungsbeispiele: Kntaktlinsen, Venen, Venenklappen, Brustimplantate PMMA PDMS

4 4. Kmpsite (Verbundwerkstffe) Definitin: Bestehen aus mindestens zwei Materialien der früheren 3 Familien. Bindungstyp: - Aggregatzustand bei üblichen Bedingungen: fest (kristallin/amrph) Struktur: - Beispiele aus der Medizin: mit Keramiken verstärkte Plymere Anwendungsbeispiele: Prthesen, Zahnfüllung IV. Eigenschaften der Materialien 1. Thermische Eigenschaften a) Erwärmung/Abkühlung spezifische Wärmekapazität (c): aufgenmmene/freigesetzte Wärme Q J c mt kg K Masse des Körpers Temperaturänderung Stff c (J/(kg K)) 4190 Muskelgewebe 3760 Fettgewebe 3000 Körpergewebe (durchschnittlich) 3500 Gld 126 Przellan 1100 Glas 800 hhe Temperaturstabilisierungsfähigkeit b) Wärmeausdehnung spezifische Phasenübergangswärme (q): spezifische Schmelzwärme (q Schmelz ): q Schmelz Masse des Körpers Q m aufgenmmene Wärme Schmelz J kg spezifische Verdampfungswärme (q Verdampfung ): q Verdampfung Q m Verdampfung J kg Stff q (kj/kg) Eis 334,4 (100 C, 101 kpa) (30 C, 101 kpa) Gld 67 Aluminium 396,1 Längenausdehnung: Temperaturänderung Längenänderung l T l ursprüngliche Länge Vlumenausdehnung: Vlumenänderung Temperaturänderung V T V ursprüngliches Vlumen linearer Wärmeausdehnungskeffizient (Längenausdehnungskeffizient) (1/K) räumlicher Wärmeausdehnungskeffizient (Vlumenausdehnungskeffizient) (1/K) Stff (10 6 1/K) Knchen 25 Zahnschmelz 11,4 Przellan 4-16 Glas 8 Zirkn 11 Titan 8,6 Gld 14,2 Amalgam 25 PMMA Wachs /Bindungsenergie! NaCl 517,1 Silizium 1656 Für die meisten Stffe gilt annähernd: 3 Bindungsenergie! innere Spannungen

5 Tatsächlich ist die Kurve asymmetrisch! Hypthese: wenn die Energiekurve symmetrisch wäre! 2. Einige mechanischen Eigenschaften a) Defrmatinstypen: Ausdehnung!! Es gäbe keine Ausdehnung!! b) Belastungsdiagramm: Wärmeleitung siehe später bei Transprtprzessen im 2. Semester c) Dehnung (Zug): Zugspannung (s): σ = F A 0 N m 2 =Pa e) Festigkeit (s max ): f) Zähigkeit (w max ): Dehnung (e): ε = Δl l 0 d) Hkesches Gesetz und die Steifigkeit (E): Hkesches Gesetz: σ = Eε Gilt in dem Prprtinalitätsbereich! Material E (GPa) Yung-Mdul der Elastizitätsmdul der Steifigkeit (Pa) Kllagen 0,3-2,5 Knchen Dentin Zahnschmelz 100 Silikngummi 0,0003 PMMA (Plymethylmethacrylat) 2,4-3,8 Przellan Gld 79 Titan 110 Zirkn (mit Yttrium stabilisiert) 200 Stahl Aluminiumxid Bindungsenergie! 19 Material s max, Zug (MPa) s max, Druck (MPa) Zahnschmelz Dentin Keramiken Przellan PMMA (Plymethylmethacrylat) Zirkniumdixid Pd-Ag Legierungen C-Cr Legierungen Ti Legierungen khlenstfffaserverstärkte s (61%) Epxid

6 Beispiele: 3. Elektrische Eigenschaften Elektrische Leitfähigkeit: Der 1 Kehrwert des spezifischen s r Widerstandes Spezifischer Widerstand Grbe Charakterisierung: Material Steifigkeit Festigkeit Zähigkeit Metalle mittelmäßig sehr sehr Keramiken sehr sehr/mittelmäßig wenig Plymere wenig mittelmäßig mittelmäßig Kmpsite mittelmäßig mittelmäßig sehr Stff s (S/m) Silber 6,810 7 Gld 4,310 7 Platin 0, Germanium 2,2 Silizium Zirkn Przellan Glas PMMA Plyethylene Metalle sind Leiter, Keramiken und Plymere sind Islatren. Leiter Halbleiter Islatr Stff r (W. cm) Blut 150 graue Hirnmasse 300 weiße Hirnmasse 700 Haut 1000 Fett 2500 Knchen Die Unterschiede werden bei den elektrischen Methden wie z. B. Impedanztmgraphie ausgenutzt. 21 Optische Eigenschaften siehe später! 22 Hausaufgaben: Neue Aufgabensammlung , 59, 61-63,