Von der Assemblierung zur Mechanik: prädiktive Skalen-überbrückende Simulationen von Spinnenseide

• Antragstellerin: Professorin Dr. Frauke Gräter
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Biophysik
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 206924251

Der herausragenden mechanischen Belastbarkeit von Biomaterialien im Vergleich zu synthetischen Materialien liegt eine ausgeklügelte Struktur auf der Nanometerskala zugrunde. Spinnenseide und Perlmutt sind zwei solcherlei Protein-basierten nano-strukturierten Biomaterialien. Wir haben während der ersten Förderperiode dieser DFG Sachbeihilfe für diese zwei Materialien das Zusammenspiel von Nanokristalliten mit der umgebenden nichtgeordneten Matrix auf mehreren Längenskalen adressiert. Während es sich bei Seide um beta-Faltblatt Kristalle und eine Matrix amorpher Proteinketten handelt, sind die anorganischen Kalziumkarbonat-Kristalle von Perlmutt von dünnen Schichten Protein (sowie Polysacchariden) umgeben. Wir haben für die Untersuchung dieser zwei Systeme Molekulardynamiksimulationen (MD) auf der atomistischen Skala verwendet, um darauf Parameter abzuleiten für Finite Element (FE) Berechnungen auf der makroskopischen Skala des Materials. In den bisherigen Studien konnten wir ein Modell der Seidenfaser entwickeln, das sehr gut mit experimentellen Daten zur Mechanik übereinstimmt. Wichtiger noch ist unsere überraschende und über Seidenmechanik hinaus hochbedeutende Beobachtung, dass unter Zugspannung die Ordnung der Kristallite entlang der Faser zunimmt, was jetzt durch Kleinwinkel-Neutronenstreuung unserer Kooperationspartner bestätigt werden konnte. In der nächsten Förderperiode wollen wir unser Verständnis der Mechanik von Spinnenseide entlang dieser Richtung weiter vertiefen. Wir werden systematisch die entscheidenden Faktoren der mechanischen Eigenschaften wie Belastbarkeit, Stärke, Reibung von Seide identifizieren und die Bedingungen für die neu entdeckte Selbstordnung bei semikristallinen Materialien wie Seide bestimmen. Dafür werden wir den multiskaligen Bottom-up-Ansatz verwenden, den wir in der ersten Förderperiode entwickelt haben. Ein wesentlich neuer Schritt wird sein, eine bestimmte Proteinstruktur in den Seidenfäden nicht anzunehmen und zu modellieren wie bisher, sondern die Assemblierung von Spinnenproteinen unter Scher zu untersuchen, und diese Strukturen dann mechanisch im Computer auf mehreren Skalen zu testen. Für die Assemblierung werden wir atomistische Molekulardynamik-Simulationen unter Fluss von expliziten Wassermolekülen entwickeln sowie auf gröberer Skala Multipartikel-Kollisionsdynamik verwenden.Wir erwarten, dass unser Arbeitsprogramm einen entscheidenden Beitrag zu unserem Verständnis der Kopplung zwischen Formation, Struktur und Mechanik von Biomaterialien liefern wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Martin Müller; Professor Dr. Ulrich Schwarz