Design af naturbaserede syntetiske materialer

Siden menneskehedens begyndelse udvikler og forbedrer vi materialer med bedre og mere optimerede materialeegenskaber. Ved at forstå, hvordan naturlige materialer fremstilles, man bør være i stand til at efterligne og modificere dem. Og det er præcis, hvad Mark van Rijt og Bernette Oosterlaken (kemiteknik og kemi) gjorde, begge fra et andet perspektiv.

At bygge materialer med exceptionelle tunede egenskaber, naturen bruger et relativt lille udvalg af almindelige og almindelige byggeklodser. Disse fælles byggesten er inkorporeret med både en høj kontrol over krystalmorfologi og en hierarkisk kontrol over deres struktur, fra nanometerskalaen til millimeterskalaen. Mange af disse materialer er hybride og er sammensat af en organisk og en uorganisk del.

Tit, den organiske del samles i en defineret hierarkisk struktur og er mineraliseret med den uorganiske del. Samspillet mellem disse materialer fører til ekstraordinære egenskaber. For eksempel, calciumfosfat er stærkt, men skørt, men når den mineraliseres i en kollagenmatrix, som i knogler, det endelige materiale udviser styrke og betydelig sejhed.

Ny syntesestrategi

Mark van Rijt undersøgte inkorporeringen af ​​zinkoxid (ZnO) i organiske skabeloner. På denne måde et nyt materiale med, forhåbentlig, nye avancerede ejendomme skal kunne opnås. Imidlertid, ZnO dannes typisk ved en temperatur, som en organisk skabelon ikke kan overleve. Derfor, der søges efter alternative metoder, herunder direkte dannelse af ZnO inde i en organisk skabelon. Til dette er det vigtigt, at ZnO først kan syntetiseres under skabelonvenlige forhold.

Van Rijt udviklede derfor en ny syntesestrategi efter at have brugt avanceret kryogen transmissionselektronmikroskopi (CryoTEM) prøveudtagningseksperimenter til at undersøge dannelsen af ​​en fælles ZnO-dannelsesstrategi i vand i detaljer over tid. Efter optimering, denne stærkt kontrollerede syntesestrategi tillader dannelse af ZnO ved temperaturer så lave som ~ 40 ° C og kan derfor nu fungere som grundlag for ZnO -mineralisering af følsomme organiske skabeloner.

Inspiration fra naturen

Bernette Oosterlaken arbejdede med forskellige organiske skabeloner for at studere dannelsen af ​​et andet mineral, magnetit. Dette jernoxid har den højeste mætningsmagnetisering af alle naturligt forekommende mineraler, fører til magnetiske egenskaber. Dens magnetiske adfærd afhænger meget af krystalstørrelsen og -formen og som sådan, ved at kontrollere krystalvanen, dens magnetiske adfærd kan indstilles.

Find inspiration fra naturen, hvor høj kontrol over krystalstørrelse og form opnås selv ved omgivelsestemperatur og i vandige medier, Oosterlaken sigtede efter en lignende kontrol over krystalvaner ved at levere en organisk skabelon til jernoxiddannelse. Efter tidsopløste og in situ-teknikker, kombineret med spektroskopiske teknikker, Oosterlaken formåede med succes at mineralisere en af ​​de udvalgte skabeloner, kollagen, med jernoxider.

Forskningen fra van Rijt og Oosterlaken gav et første indblik i de faktorer, der driver dannelsen af ​​mineraler inde i skabeloner, og dermed et allerførste trin i designet af nye naturbaserede syntetiske materialer.