Multiscale modeling of spider dragline silk

  • Multiskalenmodellierung von Spinnenseide

Patil, Sandeep Parasharam; Markert, Bernd (Thesis advisor); Gräter, Frauke (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2015)
Doktorarbeit

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Kurzfassung

Spinnenabseilfäden verfügen über eine außergewöhnliche Kombination aus hoher Festigkeit, Dehnbarkeit und Steifigkeit, die in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften einige der bekanntesten Hochleistungsmaterialien übertreffen. Sie sind so fest wie Hartstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt, haben eine höhere Dehnbarkeit als Nylonfäden und sind reißfester als Kevlar. Die Entwicklung von Kunstseide erfordert jedoch ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden molekularen Struktur der Seide, wodurch die mechanischen Eigenschaften und der hierarchische Aufbau der Struktur erklärt werden können.Daher ist es das Ziel dieser Forschungsarbeit die einzigartigen mechanischen Eigenschaften von Spinnenseidenfasern mit Hilfe eines „bottom-up“ Berechnungsansatzes besser zu verstehen. Für diese Arbeit wurden die Spinnenfäden, insbesondere die Abseilfäden, der europäischen Gartenkreuzspinne Araneus diadematus, betrachtet. Die hierarchische Struktur des Abseilfadens ist aus zwei Hauptbestandteilen zusammengesetzt: der amorphen Phase und der kristallinen Einheit. Die mechanische Antwort kann auf diese beiden Hauptbestandteile zurückgeführt werden. Zuerst wurde das mechanische Verhalten der steifen kristallinen Einheit durch eine Simulation auf atomistischer Ebene analysiert und in die Finite-Elemente (FE)-Simulationen einbezogen. Es wurde festgestellt, dass die Festigkeit einer Seidenfaser im Wesentlichen von den eingebetteten kristallinen Einheiten abhängt, die wie Querverbindungen zwischen Seidenproteinen in der Faser agieren. Im Gegensatz dazu verursacht die amorphe Phase eine große Dehnbarkeit und ein viskoses Verhalten der Fäden aufgrund des Gleitens von Peptidketten, d. h. es entsteht eine interne molekulare Reibung. Neben den beiden Hauptbestandteilen des Abseilfadens wird das mechanische Verhalten der Seide unter Last auch durch den Widerstand gegen Verschiebung dieser beiden Phasen relativ zueinander beeinflusst. Dabei hat sich herausgestellt, dass eine perfekte horizontale Relativbewegung keinen Widerstand gegen das Gleiten besitzt, jedoch leicht schräg einfallende Kräfte einen messbaren Widerstand verursachen. Auf Grundlage der Modellierung und der theoretischen numerischen Analyse der Bestandteile des Abseilfadens wurde ein dreidimensionales Finite-Elemente-Modell aufgestellt. Es basiert auf der Sekundärstruktur der Seidenfasern der Araneus diadematus unter Berücksichtigung der Plastizität der $\beta$-Schicht-Kristalle sowie des viskosen Verhaltens der amorphen Matrix. Die mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit, Dehnsteifigkeit, etc., die durch die FE-Simulationen gewonnen wurden, zeigen eine hervorragende übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Die zunächst zufällige Verteilung der Kristalle in der Seidenfaser ordnete sich während der Belastung um und bildete eine lamellenartige Anordnung der Phasen, welche zu einer Erhöhung der Zähigkeit führte. Diese Arbeit trägt damit wesentlich zum grundlegenden Verständnis der außergewöhnlichen Leistungsparameter der Seide bei, indem sie die molekularen Eigenschaften der Seide und den Mechanismus ihres makroskopischen mechanischen Verhaltens miteinander verknüpft. Die neuen Rechenmodelle können das Design neuer Werkstoffe, die die Eigenschaften der biologischen Materialien imitieren und sogar verbessern, unterstützen.

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