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Hierarchische Struktur eines Nadelbaums
Baum (0.1 - 100 m)
Jahrring (1 - 15 mm)
Holzzelle (Tracheide) (20 - 40 µm)
doppelte Zellwand (1 - 10 µm)
Mikrofibrille = Zellulose-Kristall (2 - 3 nm)
Zellulose-Molekül (< 1 nm)
Kristallstruktur nativer Zellulose
d200
200
d004
004
c
b
a
einzelne Holzfaser (Pappel)
M. Müller, M. Burghammer, J. Sugiyama
unveröffentlicht
Diffraktion an biologischen / nanokristallinen Materialien
Textur (Orientierungsverteilung von Kristallen):
Einkristall (→ allgemeine Textur) → Fasertextur → Pulvertextur
= Vorzugsorientierung (vom Pulver aus)
= Unordnung (vom Einkristall aus)
Fasertextur gibt mehr Informationen als
Pulver: „Schichtlinien“ mit gleichem l-Index
Hierarchische Struktur von Zellulose
Einheitszelle
Mikrofibrillen
typische Größe (nm)
004
200
Zellwände
Ortsaufgelöste Röntgenstreuung
mit einem Mikrostrahl
Gleichzeitige Information auf drei Längenskalen:
Diffraktion (WAXS):
Einheitszelle
1
SAXS:
Poren, Teilchen
Ortsauflösung:
Optische Mikroskopie
2
3
typische Größe (nm)
C. Riekel, M. Burghammer,
M. Müller, J. Appl. Cryst. 33, 421-423 (2000)
Morphologie von Zellulose
Untersuchung einzelner Fasern
möglich; lokale Bestimmung
von Parametern wie:
• Orientierungsverteilung der
Mikrofibrillen
• Kristallgröße
• Kristallinität (Anteil kristallinen
Materials
Reflexverbreiterungen (vgl. Laue-Interferenzfunktion;
analog zu Spaltanzahl bei optischen Gittern)
Scherrer-Formel:
2 3 ln 2 λ
d (Å) =
π FWHM 2 Θ cos Θ
In vitro synthetisierte Zellulose
Röntgenstreumessungen
Kristallgröße ∅ (Å)
d200 (Å)
a in vitro
b endogen
c bakteriell
4.00(1)
4.10(3)
3.96(1)
29(2)
21(2)
62(1)
Kristallinität (%)
39(4)
29(3)
64(6)
J. Lai Kee Him et al., J. Biol. Chem. 277, 36931-36939 (2002)
Röntgenstreuung an Nadelholz
S3
2 MFA
S2
S1
Tracheide
RöntgenMikrostrahl
P
MFA
Zellulosemikrofibrillen
ML
Mikrofibrillenwinkel (MFA)
= 90° – Steigungswinkel der Helix
Mechanische Optimierung von Bäumen
16
εm [%]
12
max.
Dehnung
8
4
0
Elastizitätsmodul
10
5
0
10
20
30
40
µ [°]
MFA
50
junger Baum
0
alter Baum
E [GPa]
15
60
A. Reiterer, H. Lichtenegger, S. Tschegg, P. Fratzl
Phil. Mag. A 79, 2173-2184 (1999)