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«Kristallographische Texturen und richtungsabhängige mechanische Eigenschaften des Exoskeletts des amerikanischen Hummers sowie Texturen weiterer ...»

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Lars Raue

Kristallographische Texturen

und richtungsabhängige mechanische Eigenschaften

des Exoskeletts des amerikanischen Hummers

sowie Texturen weiterer Biomaterialien

mbvberlin verlag

mensch und buch | 2008

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen

Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über

http://dnb.ddb.de abrufbar.

ISBN: 978-3-86664-423-6 Zugl.: Aachen, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule, Diss., 2008 Dissertation, RWTH Aachen Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt.

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alle Rechte vorbehalten | all rights reserved ©John Yen - Fotolia.com (Coverbild) © mbv 2008 Nordendstr. 75 - 13156 Berlin – 030-45494866 verlag@menschundbuch.de – www.menschundbuch.de Kristallographische Texturen und richtungsabhängige mechanische Eigenschaften des Exoskeletts des amerikanischen Hummers sowie Texturen weiterer Biomaterialien Von der Fakultät für Georessourcen und Materialtechnik der Rheinisch -Westfälischen Technischen Hochschule Aachen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktors der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation vorgelegt von Dipl.-Geow.

Lars Raue aus Marburg a.d. Lahn Berichter: Professor Dr.-Ing. Dierk Raabe Univ.-Prof. Dr.rer.nat. Günter Gottstein Tag der mündlichen Prüfung: 16. Juni 2008 Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfügbar Ich möchte hiermit folgenden Personen meinen Dank für die Unterstützung bzw. Betreuung

sowohl im Vorfeld als auch während der Erstellung dieser Arbeit aussprechen:

Herrn Prof. Dr.-Ing. Dierk Raabe (MPI f. Eisenforschung) für die fachlich sehr fundierte Einführung in das Thema der Biomaterialien, für zahlreiche Denkanstöße und für die gute Betreuung während meiner Arbeit;

Herrn Prof. Dr. Günter Gottstein (IMM, RWTH Aachen) für die Übernahme des Korreferats;

Herrn Dr.-Ing. Helmut Klein (GZG, Universität Göttingen) für die sehr gute Betreuung vor und während der Erstellung dieser Arbeit, die zur Verfügung gestellte Fachliteratur und die fortwährende Hilfe bei Fragen;

Herrn Dr. Helge Fabritius (MPIE) für die fachkundige Unterstützung in allen biologischen Fragen;

Frau Dr. Patricia Romano (MPIE), Herrn Dipl.-Ing. Christoph Sachs (MPIE), Herrn M.Sc. Ali al Sawalmih (MPI f. Kolloid- und Grenzflächenforschung), Herrn Dr.-Ing.

Sangbong Yi (TU-Clausthal), Frau Dr. Andrea Preusser (Continental, Hannover), Frau Dr. Caterina Tommaseo (GZG) und Frau Dr. habil. Heidrun Sowa (GZG) für die Hilfe bei den verschiedensten Fragestellungen;

Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Hans-Joachim Bunge † (TU-Clausthal) für das in mich gesetzte Vertrauen;

Herrn Heiner Bartels (GZG) für jederzeitige technische Hilfe;

den Mitarbeitern des Geowissenschaftlichen Zentrums Göttingen (GZG) der GeorgAugust-Universität Göttingen sowie speziell Herrn Prof. Dr. Werner F. Kuhs und den Mitarbeitern der Abteilung für Kristallographie für die sehr gute Kooperation während der gesamten Zeit meiner Arbeit;

meiner Frau Christine.

Dissertation

Abstract

Lars Raue 2008

Abstract Most biological materials fulfil very special tasks and possess properties which could not even be achieved with latest man-made materials. The apparent “technological” advance of some biomaterials is the result of an enhancement over million years by evolution. Hence it is not astonishing that various man-made materials are built after the model of nature. To learn from nature and to transfer the results, one must understand the inner construction of natural materials in detail. Many materialscientific details have been already studied, but one special structural aspect which has not yet been studied in detail is the occurrence of pronounced crystallographic and topological orientation distributions in such biological materials.

A general strong relationship exists between crystallographic and morphological textures and the resulting mechanical and functional anisotropy of crystalline materials. In biological matter this aspect seems to be of particular importance since natural constructions exploit the presence of structural anisotropy of its natural ingredients in a much more efficient and elegant way than usually encountered in man-made structural materials used in engineering constructions.

The chosen model organism to look at in detail is the American lobster - Homarus americanus. With the texture investigations and further calculations done for this work, a variety of new information could be obtained. For example it was possible to determine the textures of the two crystalline phases of the exoskeleton of the American lobster. With these information about the texture of the chitin phase, which is actual the same in all examined parts, the spatial orientation of the chitin chains could be determined (parallel to the sample surface). Also the structural model for the hierarchical organisation of the lobsters exoskeleton proposed by Raabe et al. 2005a could be supported and proved. With the texture data from calcite phase, characteristic for each examined part of the lobster, the direction dependence of the elastic modulus was determined for this phase. The calculated anisotropy could be correlated thereby in a logical way with the respective mechanical requirements of each part of the lobster. Hence the obtained information can be seen as a helpful contribution for the deeper understanding of the structure and the function of the lobsters exoskeleton.





Except the detailed analysis of the American lobster further biological materials have been examined, e.g. crab, horseshoe crab, enamel of a human tooth, teeth of a domestic sow and an european beaver, ivory, beech wood and the shell of a hen`s egg. Thereby it should be determined first, if these materials are examinable at all with the methods used here and which materials would be interesting and worth, to be examined in detail in future. Analysing these materials, also relatively new methods have been used, e.g. the combined rietveld texture analysis. This method is of particular importance dealing with biological materials, since it represents an "elegant" solution, in order to cope with overlapped pole figures (also from different phases).

The enamel of human teeth turned out to be the most interesting and worthwhile material for further future examinations, since only little about the inner structure is known up to now and later on from texture information also physical properties could be calculated. Continuing this work, e.g. new fillings for cavities in teeth could be found with equal properties as enamel itself, because fillings nowadays often posses mechanical properties far away from those of dental enamel itself. So the destruction of healthy teeth by abrasion from the harder fillings of opposing teeth could be avoided.

Dissertation Inhaltsverzeichnis Lars Raue 2008

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Motivation

3. Theoretische Grundlagen

3.1. Orientierung

3.2. Textur

3.3. Texturmessung

3.4. Polfiguren

3.5. Orientierungsverteilungsfunktion (OVF / ODF)

3.6. Polfigurüberlappung

3.7. Fasertexturen

3.8. Berechnung physikalischer Eigenschaften aus der Textur

4. Texturmessverfahren

4.1. Röntgenmessungen

4.2. Synchrotronmessungen

4.2.1. Das Programm MAUD

5. Charakterisierung des Probenmaterials

5.1. Der Hummer Homarus americanus

5.1.1. Biologie des Hummers Homarus americanus

5.1.2. Mineralogie des Hummers Homarus americanus

5.1.2.1. Kristallographische Daten der Chitin-Phase

5.1.2.2. Kristallographische Daten der Calcit-Phase

5.1.3. Probenentnahme, -lokation und -nomenklatur

5.2. Weitere untersuchte biologische Materialien

5.2.1. Taschenkrebs

5.2.2. Pfeilschwanzkrebs

5.2.3. Menschlicher Zahnschmelz

5.2.4. Zahn eines Hausschweins

5.2.5. Zahn eines Bibers

5.2.6. Elfenbein

5.2.7. Buchenholz

5.2.8. Schale eines Hühnereies

Dissertation Inhaltsverzeichnis Lars Raue 2008

6. Darstellung der Ergebnisse

6.1. Detailliertes Beispiel der Berechnung der Orientierungsverteilungsfunktion anhand einer ausgewählten Probe des Hummers

6.1.1. Detailliertes Beispiel der Texturbestimmung für die Chitin-Phase................. 54 6.1.2. Detailliertes Beispiel der Texturbestimmung für die Calcit-Phase.................. 61 6.2. Ergebnisse aller Texturberechnungen für die Chitin-Phase

6.3. Ergebnisse aller Texturberechnungen für die Calcit-Phase

6.3.1. Ergebnisse der Texturberechnungen für die Calcit-Phase der "crusher claw". 77 6.3.2. Ergebnisse der Texturberechnungen für die Calcit-Phase der "pincher claw" 78 6.3.3. Ergebnisse der Texturberechnungen für die Calcit-Phase des "carapace"....... 79 6.4. Ergebnisse der Berechnungen der Richtungsabhängigkeit des Elastizitätsmoduls der Calcit-Phase

6.5. Orientierungsbeziehung zwischen Calcit und Chitin im Hummer

6.6. Ergebnisse weiterer Biomaterialien

6.6.1. Taschenkrebs

6.6.2. Pfeilschwanzkrebs

6.6.3. Menschlicher Zahnschmelz

6.6.4. Zahn eines Hausschweins

6.6.5. Zahn eines Bibers

6.6.6. Elfenbein

6.6.7. Buchenholz

6.6.8. Schale eines Hühnereies

7. Vergleich der Ergebnisse und Diskussion

7.1. Ergebnisse der Texturberechnungen für den Hummer

7.2. Ergebnisse der Berechnung des Elastizitätsmoduls der Calcit-Phase für den Hummer

7.3. Orientierungsbeziehung zwischen Calcit und Chitin im Hummer

7.4. Vergleich der Ergebnisse der weiteren Biomaterialien

8. Fehlerbetrachtung

8.1. Mögliche Fehlerquellen der Messungen und Berechnungen

8.2. Mögliche materialbedingte Fehlerquellen

9. Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Abbildungsverzeichnis / -nachweis

Dissertation Einleitung Lars Raue 2008

1. Einleitung Thema der vorliegenden Dissertation ist die Berechnung kristallographischer Texturen der Phasen des Exoskeletts des amerikanischen Hummers sowie die Berechnung damit verbundener, richtungsabhängiger mechanischer Eigenschaften, wie z.B. des Elastizitätsmoduls. Bei der Untersuchung biologischer Materialien, die zumeist einen komplexen, hierarchischen Aufbau haben, kann insbesondere die Texturanalyse ein wichtiges Hilfsmittel sein, da sich mit den gewonnenen Informationen über die Anordnung der Kristallite z.B. mikrostrukturelle Beobachtungen deuten, erklären und zum Teil sogar begründen lassen. Grundlage vieler komplexer, hierarchischer Strukturen ist dabei zumeist eine Fasertextur.

Abgesehen von der detaillierten Texturuntersuchung inklusive Berechnung der Orientierungsverteilungsfunktion für die beiden kristallinen Phasen Chitin und Calcit des amerikanischen Hummers wird außerdem ein Überblick über Texturen und Texturmerkmale weiterer, ausgesuchter Biomaterialien gegeben. Dabei konnte für diese Materialien (insbesondere für das Exoskelett des Taschenkrebses und den menschlichen Zahnschmelz), wie auch für den Hummer selbst, die Textur erstmals detailliert über die Orientierungsverteilungsfunktion beschrieben werden. Aufgrund dieser Ergebnisse war es somit möglich, zukünftige interessante biologische Untersuchungsmaterialien zu finden.



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