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Plenarvortrag Fr., 08:30–09:00 F-PV6
Struktur und Dynamik biologischer Materialien
Martin Müller 1
1 Institut für Experimentelle und Angewandte Physik, Universität Kiel, 24098 Kiel
Ein Merkmal nahezu aller biologischen Materialien ist ihre hierarchische Strukturierung
über viele Längenskalen. Auf mesoskopischer Ebene findet sich fast immer eine
Verbundstruktur mit kristallinen Regionen, die in eine weichere, ungeordnete Matrix
eingebettet sind. Diese Matrix wiederum ist typischerweise für Wasser zugänglich. Der
Wassergehalt beeinflußt erheblich die mechanischen Eigenschaften von Biomaterialien;
im speziellen Fall von Holz ist das von erheblicher technischer Bedeutung.
Wir untersuchen die strukturellen Veränderungen biologischer Materialien wie Zellulosefasern,
Seide und Holz in situ unter mechanischer Belastung mit Mikro–Röntgenstrahlen
an Synchrotronstrahlungsquellen. Mit einer neuartigen Probenumgebung
können wir den Wassergehalt der Proben variieren. Unsere Ergebnisse erlauben es,
erstmals mikroskopische Modelle für die unterschiedlichen Verformungsmechanismen
trockener und feuchter Biomaterialien zu entwickeln. Hierbei spielt die weiche Matrix
eine entscheidende Rolle.
Um lokale Information über Moleküle in ungeordneten Bereichen zu gewinnen, wenden
wir Neutronenspektroskopie an. Damit messen wir u. a. Anregungen adsorbierten
Wassers in orientierten Zellulosefasern, die Informationenen über die Anisotropie ihrer
Umgebung liefern. Experimente an selektiv deuterierten Seidenfasern wurden erfolgreich
mit Zugversuchen kombiniert. Die erhaltenen Phononenspektren bei verschiedenen
Dehnungen geben einen direkten Hinweis darauf, daß die ungeordneten Moleküle
einen großen Teil der makroskopischen Dehnung ermöglichen.
Die vorgestellten Ergebnisse an Biomaterialien sind ein Beispiel dafür, wie durch die
Komplementarität verschiedener Sonden ein umfassendes Modell der Struktur und Eigenschaften
komplexer Proben erhalten werden kann.