Materialwissenschaftliche und strukturelle Untersuchungen an photomechanischen Infrarotrezeptoren bei Insekten zur Optimierung neuartiger technischer Infrarotsensoren

Abstract

In dieser Arbeit wurden hauptsächlich die mechanischen Eigenschaften hoch spezialisierter Insektenkutikula in photomechanischen Infrarotrezeptoren (IR-Rezeptoren) pyrophiler Insekten bei nahezu natürlichem Wassergehalt (quasi-nativ) untersucht. Zusammen mit den Erkenntnissen aus einer dreidimensionalen Rekonstruktion eines IR-Rezeptors wurden diese Ergebnisse für ein weiterentwickeltes Konzept für ungekühlte, technische Infrarotsensoren genutzt.<br /> Zunächst wurde hierzu eine Methode entwickelt, um die mechanischen Eigenschaften einzelner Schichten von getrockneter und quasi-nativer Insektenkutikula durch Nanoindentation zu bestimmen. Zur Methodenentwicklung wurde Kutikula der Sternalplatte der Wanderheuschrecke (Locusta migratoria) als "Standard-Kutikula" benutzt. Als Ergebnis wurden durch die Erhöhung des Wassergehaltes die Härte und der E-Modul in allen untersuchten Schichten stark herabgesetzt. Hierbei änderten sich die mechanischen Eigenschaften der einzelnen Kutikulaschichten unter dem Einfluss von Wasser unterschiedlich stark. Die Ergebnisse legen nahe, dass der Grad der Sklerotisierung den Wassergehalt von Kutikula bestimmt und damit ihre mechanischen Eigenschaften definiert. <br /> Bei unterschiedlichen Indentationsrichtungen traten Anisotropieeffekte auf, die auf die Ausrichtung der Chitinfasern zurückzuführen sind. Diese Effekte waren im rehydrierten Zustand stärker, was den Einfluss des Wassergehaltes auf die mechanischen Eigenschaften der Proteinmatrix verdeutlichen. Durch zyklisches Trocknen und Rehydrieren von Endokutikula wurde demonstriert, dass die mechanischen Eigenschaften durch Änderung des Wassergehaltes reproduzierbar verändert werden können. <br /> Es zeigte sich, dass in quasi-nativen Proben von Melanophila die IR-Exokutikula etwa 50% härter und 20% steifer ist als die Referenz-Exokutikula. In beiden Arten ist die IR-Mesokutikula im quasi-nativen Zustand signifikant weicher (bei Melanophila 80%) und elastischer (bei Melanophila 90%) als die Referenz-Mesokutikula. Da die thermische Ausdehnung mit den mechanischen Eigenschaften verknüpft ist, konnten die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der untersuchten Kutikulatypen abgeschätzt werden. Die Ergebnisse zeigen eine Spezialisierung der IR-Exokutikula und der IR-Mesokutikula zur Optimierung der thermomechanischen Prozesse in den photomechanischen IR-Rezeptoren. Dabei weisen die kutikularen Bestandteile der IR-Rezeptoren bei M. acuminata offenbar einen höheren Grad der Spezialisierung auf als bei A. albicornis. <br /> Die Geometrie der inneren Kugel des IR-Rezeptors von M. acuminata wurde durch eine dreidimensionale Rekonstruktion ermittelt. Hierdurch wurde gezeigt, dass die kelchförmig angeordneten, fluidgefüllten Kavitäten im mesokutikularen Kern lediglich 2% des Volumens der Kugel ausmachen. Dabei erreichen sie durch verzweigte Fluidkanäle in der seitlichen Peripherie des Kerns eine auffällig große Oberfläche, was vermutlich der Wärmeleitung von der IR-Mesokutikula an das Fluid dient. <br /> Die ermittelten thermomechanischen Eigenschaften der spezialisierten Kutikulatypen photomechanischer IR-Rezeptoren, sowie die dreidimensionale Rekonstruktion des IR-Rezeptors von M. acuminata, wurden genutzt um ein weiterentwickeltes Konzept für technische, ungekühlte IR-Sensoren zu erstellen. Hierbei wurden Merkmale der biologischen Vorbilder abstrahiert und in entsprechende Empfehlungen für Veränderungen des aktuellen Prototyps umgesetzt.