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Elektronenmikroskopische Untersuchungen des Polymer/Mineral ...

Elektronenmikroskopische Untersuchungen des Polymer/Mineral ...

2 1 EINLEITUNG Natur

2 1 EINLEITUNG Natur gelungen ein Material zu erzeugen, das optimal als Schutz für den weichen Schne- ckenkörper dienen kann. Der interessante Aufbau des Perlmutts und die damit verbundenen besonderen Eigenschaf- ten des Verbundmaterials haben es schon früh zu einem Gegenstand wissenschaftlicher Untersuchungen gemacht. Ziel aller Untersuchungen ist die Gewinnung neuer Erkenntnisse über den Aufbau des Ma- terials und die Mechanismen der Entstehungsprozesse, bei denen so hochgradig geordnete Materialen wie Perlmutt erzeugt werden. Nur ein tiefer gehendes Verständnis von Aufbau und Wachstum kann eine spätere technische Nachahmung der Materialien hervorbrin- gen. In den künstlich erstellten Verbundmaterialien würden Vorzüge der Biomineralien wie Bruchfestigkeit, Ungiftigkeit und Korrosionsbeständigkeit zum Tragen kommen. Im Gegensatz zu der Fabrikation herkömmlicher Keramiken müssten außerdem keine hohen Drücke und Temperaturen aufgebracht werden. Die Produktion würde somit einfacher und kostengünstiger werden. Es existiert eine Vielzahl möglicher Anwendungen. Dazu zählen Dental- und Knochenimplantate [5], korrosionsresistente Beschichtungen für Ge- genstände, die langfristig Seewasser ausgesetzt sind, wie zum Beispiel Schiffsrümpfe, sowie mehrlagige Beschichtungen für Wände, die nach Abtragung der obersten Lage eine sau- bere Oberfläche hinterlassen. Des Weiteren könnten Untersuchungen der Schalen freilebender Schnecken Aufschluss über Einflüsse der Umwelt auf das Schalenwachstum liefern. Veränderungen der Schale könnten als Indikator für Veränderungen des Ökosystems dienen. Bereits 1961 erschien eine umfangreiche Veröffentlichung von Wada [6], in der die mine- ralischen Bestandteile, die Struktur und das Wachstum der Schale behandelt wurden. In den letzten zwanzig Jahren kam es dann zu einer raschen Zunahme der Veröffentlichungen und der Arbeitsgruppen, die sich mit dem Material Perlmutt beschäftigen: • Die Publikationen von Currey ([7]), Jackson et al. ([2, 8]), Evans et al. ([4]), Bar- thelat et al. ([9, 10]) und D. und K. Katti ([3, 11, 12]) behandeln das mechanische Verhalten von Perlmutt. • In Perlmutt enthaltene Proteine und die Zusammensetzung der organischen Matrix wurden unter anderem in den Veröffentlichungen von Weiner ([13]), Blank et al. ([1]) und Weiss et al. ([14]) behandelt. • Mit der Mikrostruktur des Perlmutts und dort speziell mit Mineralbrücken beschäftigten sich Velázquez-Castillo et al. ([15, 16]) und Song et al. ([17, 18, 19]). Im Rahmen dieser Arbeit wurde die Mikrostruktur des Perlmutts der Seeohren Haliotis laevigata und Haliotis tuberculata untersucht. Seeohren, auch bekannt unter dem aus dem Englischen stammenden Begriff Abalone, sind Meeresschnecken, die in fast allen warmen Meeren heimisch sind. Sie gehören dem Stamm der Mollusca (Weichtiere) und der Klasse der Gastropoda (Schnecken) an. Der weiche

Körper der Molluske wird von der Schale vor Angreifern und Verletzungen geschützt. Sie ist über einen Muskel mit dem Körper verbunden und besteht aus einer äußeren Calcit- und der inneren Perlmuttschicht, die sich aus Aragonit und organischen Molekülen zu- sammensetzt. Die Schale ist ein gutes Beispiel für biogene Verbundmaterialien, bestehend aus kristallisierten, anorganischen Molekülen, die aus dem Seewasser stammen und orga- nischem Material, das von der Schnecke sekretiert wird. Je nach Schneckenart treten die Schalen in vielen verschiedenen Farben und Formen auf. Ihr prinzipieller Aufbau ist jedoch in allen Fällen sehr ähnlich. Im Fall der untersuchten Haliotis laevigata hat die Schale eine ovale, abgeflachte Gestalt und eine Länge zwischen etwa (13 - 17)cm. Die vorrangige Untersuchungsmethode ist die Transmissions-Elektronenmikrokopie, die aufgrund des hohen Auflösungsvermögens Untersuchungen einer Kristallstruktur im atomaren bzw. molekularen Bereich erlaubt. Die Auswertung mittels Feinbereichsbeu- gung erstellter Beugungsbilder erlaubt eine Aussage über die Orientierungen kristal- liner Probenbereiche, wie der Aragonitplättchen. Auf diese Weise kann die Korre- lation übereinander liegender Plättchen untersucht werden. Eine Analyse der kris- tallinen Struktur der Mineralbrücken wird anhand hochauflösender Transmissions- Elektronenmikroskopie (HRTEM) durchgeführt. Zur Untersuchung der Nanoporen, die sich innerhalb der Aragonitplättchen befinden, werden verschiedene Methoden angewandt: Eine Analyse der chemischen Zusammensetzung der Nanoporen wird durch die Aufnah- me und Auswertung von EDX (energy dispersive X-ray) und EELS (electron energy loss spectroscopy) Spektren ermöglicht und die Durchführung von elektronentomographischen Messungen liefert Aufschluss über die Größe und die räumliche Verteilung der Nanoporen. 3

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