Die Rolle von Grenzflächen bei reversibler und irreversibler Deformation in biologischen Materialien

Biologische Materialien, wie z. B. Knochen oder Holz, zeigen herausragende mechanische Eigenschaften. Durch die Kombination von Materialien mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften und deren geometrischer Anordnung in hierarchischer Weise über mehrere Längenskalen von der nano- bis zur makroskopischen Skala, vereinen diese Materialien eine hohe Steifigkeit mit gleichzeitig hoher Zähigkeit. Von ausserordentlicher Wichtigkeit für das mechanische Verhalten dieses Kompositmaterials ist dabei die Kopplung der unterschiedlichen Phasen, also die Grenzfläche zwischen anorganischen Mineralpartikeln und organischer Matrix, die hauptsächlich aus Proteinen, Ionen und Wasser besteht. Experimentell wurde in verschiedensten Systemen - Knochen, Muschelschalen und Muschelfasern - die Bedeutung von polyvalenten Ionen für das mechanische Verhalten des biologischen Komposits aufgezeigt. Diese Ergebnisse zeigen, dass reversible elektrostatische Bindungen zwischen negativ geladenen Proteinen bzw. zwischen negativen Ladungen der anorganischen und der organischen Phase, die von polyvalenten Kationen (z.B. Kalzium) übermittelt werden, offenbar ein gemeinsames, allgemeines Prinzip biologischer Materialien ist, um verschiedene Phasen aneinanderzukoppeln. Ziel dieses Projektes ist es, die hochkomplexe Situation mit unzähligen Komponenten, die man in biologischen Materialien vorfindet, auf physikalisch handbare, einfache Modelle zu reduzieren. Diese Modelle werden mittels Computersimulationen (Monte Carlo und Molekulardynamik Methoden) dahingehend getestet, ob sie die essentiellen Aspekte des Problems beschreiben. Es ist das erklärte Ziel die komplizierten Wechselwirkungen der Inorganik-Organik Grenzfläche in biologischen Materialien besser zu verstehen. Ein solches Verständnis soll dazu beitragen, (1) die mikroskopischen Gründe von Knochenkrankheiten, die auf einer Störung dieser Grenzfläche beruhen, zu ergründen, (2) die Möglichkeit zu schaffen, technische Werkstoffe zu konstruieren, die von biologischen Bauprinzipien inspiriert sind, als auch (3) konstituierende Gleichungen für Kontinuumsmodelle (Finite Elemente Modelle) zu liefern, deren Ergebnisse ganz wesentlich von der Beschreibung der Grenzfläche zwischen den einzelnen Komponenten eines Mehrphasenwerkstoffes abhängen.

Verglichen mit technologischen Materialien zeigen biologische Materialien oft herausragende (mechanische) Eigenschaften. Biologische Materialien sind oft leicht, besitzen eine hohe Steifigkeit und Zähigkeit, sie besitzen Mechanismen zur Selbstheilung und sie sind natürlicherweise "grün". Folglich sind diese Materialien eine unerschöpfliche Inspirationsquelle für den Materialwissenschaftler in dem Drang neue Materialien mit maßgeschneiderten (mechanischen) Eigenschaften zu entwickeln. Um diese Entwicklung zu ermöglichen, ist ein tiefgreifendes Verständnis der dem biologischen Material zugrundeliegenden Prinzipien unersetzlich. Genau hier setzt das vom FWF geförderte Einzelprojekt "Die Rolle von Grenzflächen bei reversibler und irreversibler Deformation in biologischen Materialien" an. Ziel dieses Projektes war es eine besonders effiziente und daher in der Natur häufig angewandte Strategie, um steife und zähe Strukturen zu erzeugen, zu untersuchen. Sogenannte "Sacrificial Bonds" (SBs) sind zusätzliche Bindungen, die polymere Strukturen quervernetzen. Da diese SBs schwächer als die Bindungen der Hauptkette sind, sind auch die SBs die ersten Bindungen die unter Last brechen. Durch dieses Brechen wird auch jener Teil des Polymers einer Last ausgesetzt, der vorher durch die SB abgeschirmt war. Dadurch kann sich dieser Teil jetzt auch dehnen, was die Energiedissipation massiv erhöht. Zusätzlich sind SBs (im Gegensatz zu kovalenten Bindungen) auch reversibel, d.h. nach Wegfall der Last können sich diese wieder bilden und das Material zeigt eine Art von Selbstheilung. Beispiele für Materialien in denen SBs nachgewiesen wurden, sind Knochen, Holz, Seide oder Muschelfäden.In dem FWF Projekt wurde ein einfaches Computermodell entwickelt, um den Einfluss von SBs auf die mechanischen Eigenschaften von Polymeren zu untersuchen. Das Modell bestand aus einer oder mehrerer Polymerketten, die zwischen zwei Platten eingespannt waren. Einige der Monomere bekamen die Fähigkeit zusätzlich Querverbindungen schaffen zu können. Die Ergebnisse zeigten, dass Temperatur und Entropie einen großen Einfluss auf die Stabilität der Bindungen hatte. Dies ist umso erstaunlicher, da die Metall-Koordinationsbindungen, die das Vorbild der SBs im vorliegenden Modell waren, eine Stärke nahe einer kovalenten Bindung haben, mit einer Bindungsenergie die weit über der thermischen Energie liegt. Zusätzlich konnte gezeigt werden, dass die Topologie der einzelnen Bindungen einen großen Einfluss auf die Mechanik hat. In zyklischen Belastungstest wurde die Energiedissipation in diesem Modell untersucht und ähnliche Last-Verschiebungskurven wie im Experiment gefunden. Weiters konnte gezeigt werden, dass die Geschwindigkeit des Entlastens die Topologie der wieder geformten SBs bestimmt und damit großen Einfluss auf die Mechanik in einem zweiten Belastungszyklus hat. Für Systeme mit mehr als einer Kette zeigte sich das überraschende Resultat, dass die Anwesenheit von SBs sogar zu einer Verringerung der Festigkeit des Materials führen kann.