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Elektronenmikroskopische Untersuchungen des Polymer/Mineral ...

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II INHALTSVERZEICHNIS

II INHALTSVERZEICHNIS 4.3.1 Mineralbrücken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.3.1.1 Tomographieuntersuchungen der Mineralbrücken . . . . . 55 4.3.1.2 HRTEM Untersuchungen an Mineralbrücken . . . . . . . . 58 4.3.2 Resultate der Untersuchungen an Nanoporen . . . . . . . . . . . . . 62 4.3.2.1 Resultate der Z - Kontrast Untersuchungen . . . . . . . . . 62 4.3.2.2 Resultate der chemischen Analyse . . . . . . . . . . . . . . 63 4.3.2.3 Tomographieuntersuchungen der Nanoporen . . . . . . . . 73 5 Zusammenfassung und Ausblick 83 6 Anhang 87 6.1 Liste der verwendeten Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 6.2 zu Abschnitt 4.2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 Literatur 89

1 Einleitung Perlmutt, das Material, aus dem die innere, schimmernde Schicht (siehe Abb. 1) der Schalen vieler Schnecken und Muscheln aufgebaut ist, entsteht durch Biomineralisations- prozesse. Unter dem Begriff Biomineralisation versteht man die natürlichen Prozesse, bei denen lebende Organismen aus bioorganischen und anorganischen, kristallinen Stoffen Verbundmaterialien bilden, die im Nanometerbereich eine hohe Ordnung aufweisen. Beispiele für dabei verwendete Mineralien sind Kalziumkarbonat CaCO3, Siliziumdioxid SiO2 und Hydroxylapatit. Kalziumkarbonat spielt bei der Bildung von Schnecken- und Muschelschalen und Korallen eine wesentliche Rolle; Siliziumdioxid tritt in Kieselalgen und einigen Bakterien auf und Hydroxylapatit macht einen großen Anteil des anorgani- schen Materials in Knochen aus. Durch die Kombination solcher Mineralien mit organischen Stoffen wird ein Verbund- material gebildet, das sehr viel stabiler und elastischer ist als das Volumenmaterial des Minerals. Somit eignet sich ein solches Material vor allem für schützende und stützende Strukturen. (a) (b) Abb. 1: Schale einer Schnecke der Gattung Haliotis laevigata. (a) In der Innenseite der Schale liegende, schimmernde Perlmuttschicht. (b) Aus Calcit bestehende Außenseite der Schale. Der mineralische Anteil des Verbundmaterials Perlmutt besteht aus dem CaCO3 - Polymorph Aragonit. Dieses liegt in Form pseudohexagonaler [1] Plättchen (Durchmesser: (5 - 10)µm, Dicke: 500 nm) vor, die in organisches Material, die organische Matrix, einge- bettet sind. Der Aufbau des Perlmutts ist vergleichbar mit dem einer Ziegelsteinmauer: Die ” Steine“ bestehen aus Aragonit und der ” Mörtel“ aus organischem Material. Diese besondere Struktur des Perlmutt bestimmt sein mechanisches Verhalten in einem hohen Maße. Durch den Verbund des harten, jedoch brüchigen Aragonits mit dem weichen, aber elastischen organischen Material besitzt Perlmutt eine etwa drei Größenordnungen höhere Bruchfestigkeit als purer Aragonit [2]. Sein Elastizitätsmodul liegt zwischen 50 GPa und 70 GPa ([3, 4]). Durch die Komposition von Mineral und organischen Schichten ist es der 1

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