Multiscale modeling of spider dragline silk

Patil, Sandeep Parasharam; Gräter, Frauke; Markert, Bernd

doi:34564

Multiscale modeling of spider dragline silk = Multiskalenmodellierung von Spinnenseide

Patil, Sandeep Parasharam^RWTH*

2015

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Sandeep Parasharam Patil

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2015

UmfangVI, 131 S. : Ill., graph. Darst.

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Markert, Bernd (Thesis advisor) ; Gräter, Frauke (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-08-25

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-047448
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/483749/files/483749.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/483749/files/483749.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Allgemeine Mechanik (411110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften (frei) ; multiscale modeling (frei) ; spider dragline silk (frei) ; Finite Element Method (frei) ; molecular dynamics simulations (frei) ; mechanics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Spinnenabseilfäden verfügen über eine außergewöhnliche Kombination aus hoher Festigkeit, Dehnbarkeit und Steifigkeit, die in Bezug auf die mechanischen Eigenschaften einige der bekanntesten Hochleistungsmaterialien übertreffen. Sie sind so fest wie Hartstahl mit hohem Kohlenstoffgehalt, haben eine höhere Dehnbarkeit als Nylonfäden und sind reißfester als Kevlar. Die Entwicklung von Kunstseide erfordert jedoch ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden molekularen Struktur der Seide, wodurch die mechanischen Eigenschaften und der hierarchische Aufbau der Struktur erklärt werden können.Daher ist es das Ziel dieser Forschungsarbeit die einzigartigen mechanischen Eigenschaften von Spinnenseidenfasern mit Hilfe eines „bottom-up“ Berechnungsansatzes besser zu verstehen. Für diese Arbeit wurden die Spinnenfäden, insbesondere die Abseilfäden, der europäischen Gartenkreuzspinne Araneus diadematus, betrachtet. Die hierarchische Struktur des Abseilfadens ist aus zwei Hauptbestandteilen zusammengesetzt: der amorphen Phase und der kristallinen Einheit. Die mechanische Antwort kann auf diese beiden Hauptbestandteile zurückgeführt werden. Zuerst wurde das mechanische Verhalten der steifen kristallinen Einheit durch eine Simulation auf atomistischer Ebene analysiert und in die Finite-Elemente (FE)-Simulationen einbezogen. Es wurde festgestellt, dass die Festigkeit einer Seidenfaser im Wesentlichen von den eingebetteten kristallinen Einheiten abhängt, die wie Querverbindungen zwischen Seidenproteinen in der Faser agieren. Im Gegensatz dazu verursacht die amorphe Phase eine große Dehnbarkeit und ein viskoses Verhalten der Fäden aufgrund des Gleitens von Peptidketten, d. h. es entsteht eine interne molekulare Reibung. Neben den beiden Hauptbestandteilen des Abseilfadens wird das mechanische Verhalten der Seide unter Last auch durch den Widerstand gegen Verschiebung dieser beiden Phasen relativ zueinander beeinflusst. Dabei hat sich herausgestellt, dass eine perfekte horizontale Relativbewegung keinen Widerstand gegen das Gleiten besitzt, jedoch leicht schräg einfallende Kräfte einen messbaren Widerstand verursachen. Auf Grundlage der Modellierung und der theoretischen numerischen Analyse der Bestandteile des Abseilfadens wurde ein dreidimensionales Finite-Elemente-Modell aufgestellt. Es basiert auf der Sekundärstruktur der Seidenfasern der Araneus diadematus unter Berücksichtigung der Plastizität der $\beta$-Schicht-Kristalle sowie des viskosen Verhaltens der amorphen Matrix. Die mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit, Dehnsteifigkeit, etc., die durch die FE-Simulationen gewonnen wurden, zeigen eine hervorragende übereinstimmung mit den experimentellen Daten. Die zunächst zufällige Verteilung der Kristalle in der Seidenfaser ordnete sich während der Belastung um und bildete eine lamellenartige Anordnung der Phasen, welche zu einer Erhöhung der Zähigkeit führte. Diese Arbeit trägt damit wesentlich zum grundlegenden Verständnis der außergewöhnlichen Leistungsparameter der Seide bei, indem sie die molekularen Eigenschaften der Seide und den Mechanismus ihres makroskopischen mechanischen Verhaltens miteinander verknüpft. Die neuen Rechenmodelle können das Design neuer Werkstoffe, die die Eigenschaften der biologischen Materialien imitieren und sogar verbessern, unterstützen.

Spider dragline silk features an unusual combination of high strength, extensibility and stiffness, which outperforms some of the best materials known in terms of its mechanical performance. It is as strong as high-carbon steel, has a higher extensibility than the best commercial nylon filaments, and is tougher than Kevlar. For these reasons, dragline silk serves as a benchmark of modern polymer fiber technology, and the mass-production of a biomimetic material is of high interest. Developing artificial silk, however, requires a better understanding of the underlying molecular structure of silk that leads to the mechanical properties and the mechanism by which nature assembles this structure.Therefore, the aim of this research work is to understand the unique mechanical properties of spider silk fibers using a bottom-up computational approach. The threads of the European garden spider ${\textit{Araneus diadematus}}$, the most studied spider species, was considered for this work, more specifically the dragline spider silk. The hierarchical structure of dragline silk is composed of two major constituents, the amorphous phase and crystalline units, and its mechanical response has been attributed to these prime constituents. First, the mechanical behavior of the stiff crystalline units were analyzed from previous all atom simulations, and incorporated into finite element simulations. It is found that the strength of a silk fiber is mainly due to the embedded crystalline units, which are acting as crosslinks of silk proteins in the fiber. In contrast to crystalline units, the large extensibility and viscous behavior as evidenced by the time-dependency of silk mechanics in tensile loading is originated from the amorphous phase due to sliding of peptide chains, i.e., internal molecular friction. Beside these two major constituents of spider dragline silk, silk mechanics might also be influenced by the resistance against sliding of these two phases relative to each other under load. It is found that a perfectly relative horizontal motion has no significant resistance against sliding, however, slightly inclined loading causes measurable resistance. On the basis of modeling and numerical analysis of constituents of dragline silk, a three dimensional finite element model of a silk fiber is proposed. It is based on the secondary structure of the ${\textit{Araneus diadematus}}$ silk fiber, taking into account the plasticity of the $\beta$-sheet crystals as well as the viscous behavior of the amorphous matrix. The mechanical properties such as strength, extensibility, initial stiffness, post-stiffness, and toughness obtained from the finite element simulations show excellent agreement with available experimental data. An initially random distribution of crystals in the fiber silk rearranges during deformation, and forms a lamellar-like arrangement of the phases, which results in a high toughness.This work provides a fundamental understanding of silk's exceptional performance by linking the molecular properties and mechanisms to its macroscale mechanical behavior. The proposed computational models that encompass structure and mechanics at different scales in a bottom-up fashion, can assist the design of new materials that mimic and exceed the properties of biological analogs.

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