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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-91653
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2018/9165/


Comparison of the microstructure of the bivalve shells Pinctada fucata and Anodonta cygnea and the gastropod shell Phorcus turbinatus

Vergleich der Mikrostruktur der Muschelschalen Pinctada fucata und Anodonta cygnea und der Schneckenschale Phorcus turbinatus

He, Jianhan

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SWD-Schlagwörter: Biomineral , Aragonit , Calcit , Mikrostruktur , Muscheln , Schnecken , Elektronenrückstreubeugung , Raman-Spektroskopie
Freie Schlagwörter (Englisch): biomineral , microstructure , bivalve , gastropod , biomineralization
Basisklassifikation: 38.30
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Bismayer, Ulrich (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 05.06.2018
Erstellungsjahr: 2018
Publikationsdatum: 11.06.2018
Kurzfassung auf Englisch: The structure of mollusc shells is of major interest in the field of biomineral research due to its potential application in bionic materials. In order to understand the physical/chemical background of their outstanding biomechanical properties, in this study topological and material features were revealed using several morphological, crystal orientational and spectroscopic methods.
Three shells from different habitats were selected as the main experimental subjects: a bivalve named Pinctada fucata from South China Sea, another bivalve named Anodonta cygnea from the Volga River in Russia and a gastropod Phorcus turbinatus from the Mediterranean Sea on the coast of France.
By applying scanning electron microscope, the structures of the shells were studied in detail. By using electron backscatter diffraction and Raman spectroscopy, the variation of the crystal orientation in different crystallites was investigated comprehensively. Furthermore, microprobe and electron microscopy provided insight into the compositional and morphological differences between the three species.
Shells of the three species have similar mesoscopic structure, which consists of two types of layers: nacreous layer and prismatic layer. From the crystallographic arrangement, such as the distribution of domain structure and mesoscale twining, differences of nacreous layers in three species were compared. Based on differences in compositions, mesostructures and crystallographic features, the structural information of prismatic layers is enhanced. Finally, the transition between two layers and possible growth modes have been discussed in this work.
In the three species, the inner part of the shell is an aragonitic nacreous layer composed of nacre tablets in ‘brick-and-mortar’ arrangement. The c-axis of aragonite crystallites of the three species has identical orientation, the a- or b-axis is however arranged in different domain structures. Cross sections of all investigated species show experimental evidence that the aragonite particles with similar crystallographic orientation grow through several organic boundaries forming larger clusters. Besides, the nacreous layers from the three species show different degrees of co-orientation and different distribution of mesoscale twinning.
The prismatic layers of the three species contain compact prisms with their elongated axes often perpendicular to the surface of the shell. They do however possess different microstructures. In Pinctada fucata, each prism is an assemblage of highly co-oriented calcite crystallites. This high degree of co-orientation bundles the c-axis of crystallites within each prism mainly along one direction with a small dispersion. Different calcitic prisms can still have different orientations of their c-axis. In contrast, the prisms of Anodonta cygnea and Phorcus turbinatus are assembled by aragonite crystallites and within each prism, there is a high amount of mesoscale twinning. Although the aragonite crystallites from the two species are arranged in granular and pinnate textures, respectively, the c-axis of crystallites in aragonitic prisms align also in mainly one direction with a larger degree of dispersion. The a- and b-axes are less co-oriented and grouped in domains when compared with Pinctada fucata. Besides, considerable amount of organic matter can be found between the prisms of Pinctada fucata and Anodonta cygnea, but less in Phorcus turbinatus.
The interfacial area where prismatic layer transits to nacreous layer has also distinguishable features among the three species. In Pinctada fucata, between nacreous and prismatic layers there occurs a layer of organic matter, which cannot be seen in the same order of magnitude in the other two species. The transformation range from calcitic prisms to nacre has a sharp boundary in Pinctada fucata. In Anodonta cygnea, the orientation of aragonitic nacre tablets is partly inherited from the fibrous crystallites in the aragonitic prisms.
It is shown in the study that electron backscatter diffraction combined with scanning electron microscope is a powerful tool to resolve the microstructure of biominerals. The application of Raman spectroscopy for the orientational study of biominerals has also been proved to be a promising new technique, although further studies are needed. At last, the relationship between the habitats and the microstructures have been discussed.
Kurzfassung auf Deutsch: Die Struktur von Molluskenschalen ist für potentielle Anwendungen in bionischen Materialien von großem Interesse auf dem Gebiet der Biomineralforschung. Um den physikalisch-chemischen Hintergrund ihrer biomechanischen Eigenschaften zu verstehen, wurden in dieser Arbeit topologische und Materialcharakteristika unter Verwendung verschiedener morphologischer, kristallographischer und spektroskopischer Methoden studiert.
Drei Schalen aus verschiedenen Habitaten wurden als Hauptversuchsobjekte ausgewählt: eine Salzwassermuschel aus dem Südchinesischen Meer (Pinctada fucata), eine Süßwassermuschel aus der Wolga in Russland (Anodonta cygnea) und ein Gastropode (Phorcus turbinatus) von der französischen Mittelmeerküste.
Mit dem Rasterelektronenmikroskop wurden die Strukturen der Schalen detailliert untersucht. Mittels Elektronenrückstreubeugung und Ramanspektroskopie wurde die Kristallorientierung der verschiedenen Kristallite umfassend untersucht. Darüber hinaus haben die Elektronenstrahlmikrosonde und die Elektronenmikroskopie einen Einblick in die kompositorischen und morphologischen Unterschiede zwischen den drei Arten ermöglicht.
Die Schalen der drei Arten haben eine ähnliche mesoskopische Struktur, die aus zwei unterschiedlichen Schichten besteht: eine prismatische Schicht und eine Perlmuttschicht. Mittels Gesichtspunkten der kristallographischen Anordnung, der räumlichen der Domänenstruktur und der mesoskaligen Verzwilligung, wurden die Perlmuttschichten dreier Spezies im Detail verglichen. Basierend auf Unterschieden in Zusammensetzung, der mesostrukturen und der kristallographischen Merkmale wurden neue Informationen über die prismatischen Schichten der drei Spezies gewonnen. Darüber hinaus wird der Übergang zwischen den Schichten und ihr möglicher Wachstumsmodus in dieser Arbeit diskutiert.
Bei allen drei Spezies ist der innere Teil der Schale eine aragonitische Perlmuttschicht, die eine ‘Backstein-Mörtel-Komposition’ aufweist, jedoch in unterschiedlichen Mustern ausgeprägt ist. Die c-Achse der Aragonitkristallite ist bei allen drei Spezies identisch orientiert, die a- oder b-Achse weist jedoch verschiedene Domänenstrukturen auf. Die Querschnitte aller untersuchten Spezies zeigen experimentell, dass die Aragonitpartikel mit der selben kristallographischen Orientierung durch mehrere organische Grenzen wachsen und dadurch größere Cluster bilden. Außerdem weisen die Perlmuttschichten der drei Arten unterschiedliche Grade der Koorientierung und unterschiedliche Verteilungen der mesoskaligen Zwillingsbildung auf.
Die prismatischen Schichten der drei Spezies enthalten kompakte Prismen, deren längliche Tracht oft senkrecht zur Oberfläche der Schale stehen. Sie besitzen jedoch unterschiedliche Mikrostrukturen. In Pinctada fucata besteht jedes Prisma aus einer Ansammlung hochkoordinierter Calcitkristallite. Dieser hohe Koorientierungsgrad bündelt die c-Achse von Kristalliten in jedem Prisma hauptsächlich entlang einer Richtung bei nur geringer Streuung. Unterschiedliche calcitische Prismen können jedoch unterschiedliche Orientierungen ihrer c-Achse aufweisen. Im Gegensatz dazu werden die Prismen von Anodonta cygnea und Phorcus turbinatus aus Aragonit-Kristalliten gebildet und in jedem Prisma tritt mesoskalige Zwillingsbildung häufig auf. Obwohl die Aragonitkristallite der beiden Spezies in körnigen und gefiederten Strukturen angeordnet sind, richtet sich die c-Achse der Kristallite in den aragonitischen Prismen primär entlang einer Richtung mit einem größeren Dispersionsgrad aus. Die a- und b-Achsen sind im Vergleich zu Pinctada fucata weniger koorientiert und in Domänen gruppiert. Außerdem können organische Substanzen zwischen den Prismen von Pinctada fucata und Anodonta cygnea beobachtet werden, jedoch kaum in Phorcus turbinatus.
Der Übergangsbereich zwischen prismatischer und perlmuttartiger Schicht weist in beiden drei Spezies ebenfalls Unterschiede auf. In Pinctada fucata tritt zwischen den Perlmutt- und prismatischen Schichten ein Bereich organischer Substanz auf, die bei den beiden anderen Arten nicht in der gleichen Größenordnung gefunden wird. Die Umwandlungsregion von calcitischen Prismen zu Perlmutt weist in Pinctada fucata eine scharfe Grenze auf. In Anodonta cygnea wird die Orientierung der aragonitischen Perlmutt-Segmente zum Teil von den faserigen Kristalliten der aragonitischen Prismen übernommen.
In der Studie wurde nachgewiesen, dass die Elektronenrückstreubeugung in Kombination mit dem Rasterelektronenmikroskop ein leistungsfähiges Werkzeug zur Auflösung der Mikrostruktur von Biomineralen ist. Die Anwendung der Raman-Spektroskopie hat sich für die Orientierungsuntersuchung von Biomineralen ebenfalls als sehr vielversprechende Technik erwiesen. Basierend auf den morphologischen und orientierungsabhängigen Analysen werden mögliche Wachstumsmodelle von Schalen und die Beziehung zwischen Habitaten und Mikrostrukturen diskutiert.

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