D31 Nagelhaut-Nanoindentation

Thema

Die mechanischen Eigenschaften der Insektenkutikula variieren so stark von Region zu Region, dass eine Messung auf sehr lokaler Ebene mit einer Auflösung im Mikrometerbereich erforderlich ist. Daher hat sich die Nanoindentation als Standardverfahren zur punktuellen mechanischen Charakterisierung der Kutikula etabliert.

Diese Nanoindentation wird mit einem Diamantindenter von präzise definierter Geometrie durchgeführt: einer dreiseitigen Pyramide in Berkovich-Geometrie, deren Spitze einen charakteristischen Winkel von etwas über 65 Grad zur Mittelachse bildet. Der Indenter dringt unter einer präzise gesteuerten Last in die Kutikula ein, während ein Sensor mit einer Auflösung im Nanometerbereich die exakte Eindringtiefe in jedem Moment erfasst. Die gesamte mechanische Information des Tests ist in der Kurve enthalten, die die Last mit der Eindringtiefe verknüpft.

Anhand dieser Last-Eindringtiefen-Kurve ermöglicht die Oliver-Pharr-Methode die Bestimmung des Elastizitätsmoduls und der Cuticulahärte. Sie basiert auf der Anfangssteifigkeit des Eindringkörpers während der Entlastung: Unmittelbar zu Beginn der Entlastung findet ausschließlich eine elastische Rückstellung des Materials statt. Dadurch lässt sich die rein elastische Reaktion der Cuticula von der plastischen Verformung trennen, die sich dauerhaft unter dem Eindringkörper abzeichnet.

Für eine genaue Bestimmung des Elastizitätsmoduls muss die Flächenfunktion des Eindringkörpers zuvor kalibriert werden, da die tatsächliche Eindringkörperspitze bis zum Ende keine perfekte Berkovich-Geometrie beibehält. Diese Kalibrierung erfolgt durch Eindrücken in ein bekanntes Referenzmaterial, Quarzglas mit einem Elastizitätsmodul von etwa 72 Gigapascal. Dadurch können Abweichungen zwischen der idealen Geometrie des Eindringkörpers und seiner tatsächlichen Form korrigiert werden.

Nach dieser Kalibrierung zeigt die Nanoindentationsanalyse, wie stark die mechanischen Eigenschaften der Insektenkutikula räumlich von Region zu Region variieren: Die deutlich weicheren Gelenkregionen weisen einen Elastizitätsmodul von nur wenigen Megapascal auf, während die wesentlich steiferen Mandibeln einen tausendfach höheren Elastizitätsmodul in der Größenordnung von mehreren Gigapascal aufweisen – ein so ausgeprägter Unterschied, dass jede Region eine völlig unterschiedliche mechanische Funktion im Insektenkörper erfüllt. Diese Funktion lässt sich mit derselben mikrometrischen Auflösung erfassen, die auch für jede einzelne Indentation verwendet wird.

Zusätzlich zu dieser elastischen Steifigkeit kann durch das Halten der Eindringkörperlast über einen längeren Zeitraum auch die viskoelastische Komponente der Kutikula charakterisiert werden, indem beobachtet wird, wie weit der Eindringkörper weiter einsinkt, obwohl die Last nicht mehr zunimmt – ein Phänomen, das als Kriechen bekannt ist: Die hydratisierte Kutikula zeigt ein viel stärkeres Kriechen als die trockene Kutikula, was bedeutet, dass der Wassergehalt der Kutikula zusammen mit der Architektur des eingedrückten Bereichs selbst einer der Faktoren ist, die die mechanischen Eigenschaften der Insektenkutikula am stärksten bestimmen.

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