Deutsche Forschungsgemeinschaft und Bundesministerium für Bildung und Forschung

 

SpiderSilk

Multiskalenmodellierung von Spinnenabseilfäden

  Schematische Darstellung von Spinnenabseilfäden Urheberrecht: © IAM
 

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Ein Spinnenabseilfaden besitzt die ungewöhnliche Kombination von hoher Festigkeit, Dehnbarkeit und Zähigkeit, die einige der besten künstlichen Materialien im Hinblick auf ihre mechanische Leistung übertrifft. Ein Abseilfaden hat eine halbkristalline Struktur, bestehend aus einem kristallinen Bereich kurzer Polyalanin-Segmente, die steife β-Faltblatt-Nanokristalle bilden und von einem amorphem glycinreichen Bereich umgeben sind, der die Dehnbarkeit der Faser bereitstellt. Ein 3D Finite-Elemente-Modell der Seide wird aufgestellt, das auf der Sekundärstruktur der Seidenfaser der Gartenkreuzspinne basiert und die Plastizität der β-Faltblatt-Kristalle sowie das viskose Verhalten der amorphen Matrix berücksichtigt. Das Seidenfasermodell zeigt, dass die vorhergesagten mechanischen Eigenschaften mit dem verfügbaren experimentellen Beweis hervorragend übereinstimmen. Anfangs zufällig in der Seidenfaser verteilte Kristalle ordnen sich selbst während der Verformung neu an und bilden eine lamellenartige Anordnung der Phasen, wodurch sich eine anfängliche Steifheit aufgrund der anfänglichen zufälligen Anordnung und eine hohe Zähigkeit aufgrund der lamellenartigen Anordnung ergibt. Das vorgeschlagene kontinuumsmechanische, makroskopische Seidenfasermodell benötigt keine empirischen Parameter und trägt dazu bei, ein besseres Verständnis über die Mechanik der Seidenfaser während der Verformung und über die Quelle der Zähigkeit dieser außergewöhnlichen Faser zu erlangen. Daher ist es ein effizientes Modell für die Konstruktion von Kunstseidenfasern als auch anwendbar auf andere Verbundwerkstoffe.