Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.18419/opus-6615
Authors: Orso, Steffen
Title: Structural and mechanical investigations of biological materials using a Focussed Ion Beam microscope
Other Titles: Strukturelle und mechanische Untersuchungen von biologischen Materialien unter Verwendung eines Focussed Ion Beam Mikroskops
Issue Date: 2005
Publication type: Dissertation
Series/Report no.: Bericht / Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (ehemals Max-Planck-Institut für Metallforschung), Stuttgart;180
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-27175
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/6632
http://dx.doi.org/10.18419/opus-6615
Abstract: Biological materials have been evolved over millions of years of evolution to fulfil the requirements posed by the organism and environment. A closer inspection of these materials reveals that they are composites with a highly hierarchical structure. A detailed understanding of the behaviour and function of these materials is possible only if the structure and the mechanical properties down to the smallest level of the hierarchy are known. This requires specimens of very small scale to be analysed. This thesis describes the development and application of a novel technique for the quantitative investigation of both the three-dimensional structure and the mechanical properties of biological materials. This technique allows the micromechanical testing in bending and tension of samples of a few tens of micrometers in length and a few micrometers or less in diameter. It uses a Focussed Ion Beam system (FIB) as an in situ laboratory for structural investigations, sample preparation and sample fixation. Mechanical tests are carried out in situ in a FIB and a scanning electron microscope (SEM). Advantages of this method are that samples from larger objects can be prepared site-specifically using the FIB, and that testing in tension is possible without end effects due to gripping, since the samples are affixed by metal ‘tapes’ deposited using the FIB. Forces are measured with a piezoresistive Atomic Force Microscope (AFM) tip attached to a micromanipulator for high precision positioning. The displacement is determined from micrographs taken during the test. The mechanical properties of three different polymeric and biological materials and structures were measured in bending in situ inside an SEM: polyimide (Kapton®), horse hair (keratin) and spruce wood cell wall material (cellulose-fibre composite). Four different biological materials were tested in tension in situ in a FIB: a single element (seta) of the hairy attachment system of a beetle Gastrophysa viridula, wind-receptor hairs from the filiform sensor of crickets (Acheta domesticus) (both chitin-fibre composites), natural spider silk from the garden cross spider (Araneus diadematus) and artificial spider silk (protein fibres). Some of the biological samples could be tested for the first time using the newly designed testing method. They showed exceptional high mechanical properties when compared to technical materials.
Biologische Materialien haben sich im Laufe der Evolution über Jahrtausende hinweg dahingehend entwickelt, dass sie den Anforderungen, die durch den Organismus und die Umwelt an sie gestellt werden, genügen. Bei einer genaueren Betrachtung offenbart sich ihr Aufbau als der eines Verbundwerkstoffes mit einer hierarchischen Struktur. Um die Prinzipien der Optimierung biologischer Werkstoffe bis in die kleinste Hierarchieebene zu verstehen, ist es notwenig, sehr kleine Proben untersuchen zu können. Die vorliegende Doktorarbeit beschreibt die Entwicklung und Anwendung einer neuen Methode zur quantitativen Untersuchung der dreidimensionalen Struktur und der mechanischen Eigenschaften von biologischen Werkstoffen. Diese neue Methode ermöglicht mikromechanische Untersuchungen in Biegung und Zug von Proben mit einer Länge von einigen zig µm und einer Breite von wenigen µm. Die entwickelte Methode verwendet ein Focused Ion Beam (FIB) System als ein in situ Labor für strukturelle Untersuchungen und Probenpräparation. Mechanische Versuche wurden in situ in einem FIB und einem Rasterelektronenmikroskop durchgeführt. Die Vorteile dieser Methode bestehen darin, dass Proben zielgenau aus größeren Proben herauspräpariert werden können und dass es bei den Zugversuchen zu keinen Einspanneffekten durch ein Festklemmen der Proben kommt. Die Proben für die Zugversuche werden durch „Metallklebestreifen“, die mit dem FIB erzeugt werden, befestigt. Kräfte werden mit einer piezoresistiven Kraftmessspitze gemessen, die an einem nm-genau positionierbaren Mikromanipulator befestigt ist. Die Auslenkung und Dehnung der Probe wird anhand von Bildern bestimmt, die während der Versuche aufgenommen werden. Die mechanischen Eigenschaften von drei polymeren und biologischen Werkstoffen und Strukturen wurden in Biegung in situ in einem Rasterelektronenmikroskop bestimmt: Polyimid (Kapton®), Pferdehaar (Keratin) und eine Fichtenholzzellwand (Zellulosefaser Verbundwerkstoff). Es wurden ferner vier weitere Werkstoffe und Strukturen in situ unter Zugbelastung in einem FIB getestet: ein Haar (Seta) der bürstenartigen Haftstruktur an den Füßen des Ampferblattkäfers (Gastrophysa viridula), Windrezeptorhaare der Filiform Sensoren von Heimchen (Acheta domesticus) (beide sind Chitinfaser Verbundwerkstoffe), natürliche Spinnenseide der Gartenkreuzspinne (Araneus diadematus) und künstlich hergestellte Spinnenseide (Proteinfasern). Einige der gemessenen Proben konnten mit der neu entwickelten Testmethode zum ersten Mal überhaupt gemessen werden. Sie zeigten dabei auch im Vergleich mit technischen Materialien exzellente mechanische Eigenschaften.
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