Crustacean skeletal elements: variations in the constructional morphology at different hierarchical levels

• Antragsteller: Professor Dr. Jörg Neugebauer; Professor Dr.-Ing. Dierk Raabe; Privatdozent Dr. Andreas Ziegler, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 128306731

Die Kutikula der Krustazeen ist ein hierarchisch aufgebautes Verbundmaterial welches das gesamte Tier umgibt und ein kontinuierliches exoskelett bildet. Die organische Phase der Kutikula besitzt mindestens sieben hierarchische Ebenen. Sie besteht aus proteinummantelten Chitin-Fibrillen, die ebene Lagen bilden. Durch helikale Anordnung übereinanderliegender Lagen bilden sich mikroskopische Stapel mit der typischen sperrholzartigen Struktur, die drei der vier Hauptlagen der Kutikula bilden. Mindestens zwei dieser Hauptlagen enthalten eine Mineralphase, die vor allem aus Mg-Calcit, amorphem Calciumcarbonat (ACC) und amorphem Calciumphosphat (ACP) besteht. Die große Anzahl hierarchischer Ebenen und die mannigfaltige chemische Zusammensetzung der Kutikula bieten einen hohen Freiheitsgrad, um ihre physikalischen, insbesondere mechanischen Eigenschaften, zu variieren. Das macht die Kutikula zu einem vielseitigen Material, das in idealer Weise geeignet ist, verschiedenste Skelettelemente zu formen, die an ihre jeweilige Funktionen und an die ökophysiologischen Belastungen des Tieres angepasst sind. In unserem vergleichenden Ansatz kombinieren wir experimentelle und mathematische Methoden, um zu untersuchen, wie und auf welchen hierarchischen Ebenen die Struktur und die Zusammensetzung der Kutikula modifiziert werden, damit die erforderlichen physikalischen Eigenschaften erreicht werden. Die Informationen, die wir durch diese Studien erhalten, verwenden wir für die Entwicklung eines theoretischen Modells, das systematisch, von molekularen bis zu makroskopischen Maßstäben, die Beziehungen zwischen der Struktur, der Zusammensetzung und den Eigenschaften kutikulärer Verbundmaterialien beschreibt. Das Ziel unseres multidisziplinären Projektes ist es, auf der Basis wissensbasierten Designs, die Entwicklung optimierter biomimetischer Materialien zu erleichtern.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1420: Biomimetic Materials Research: Functionality by Hierarchical Structuring of Materials
• Beteiligte Personen: Professor Dr. Helge-Otto Fabritius; Dr. Martin Friák, Ph.D.