Krystalklar forskning

(PhysOrg.com) - Forskere har med succes skabt syntetiske krystaller, hvis strukturer og egenskaber efterligner dem af naturligt forekommende biomineraler såsom muslingeskaller.

Fundene, offentliggjort i tidsskriftet Naturmaterialer , kunne være et vigtigt skridt i udviklingen af ​​højtydende materialer, som kunne fremstilles under miljøvenlige forhold.

Biologiske mineraler eller 'biomineraler' forekommer vidt omkring i naturen i strukturer som knogler, tænder og muslingeskaller og viser ofte bemærkelsesværdige former og egenskaber sammenlignet med deres syntetiske modstykker.

Et centralt træk ved biomineraler er, at de er kompositmaterialer, fremstillet af et uorganisk mineral såsom calciumcarbonat, der indeholder en lille mængde organisk materiale, normalt et protein.

De resulterende strukturer er utroligt hårde, og deres mekaniske egenskaber kan konkurrere med dem af menneskeskabte materialer som keramik, som typisk fremstilles under høje temperaturer og tryk, giver mindre mulighed for kontrol over materialegenskaberne.

Forskere er interesserede i at forstå, hvordan biologi er i stand til at udføre sådan præcisionsteknik i vand ved omgivelsestemperaturer, så de kan anvende dette princip til design og produktion af syntetiske materialer, der er meget grønnere end eksisterende.

Nu er et team ledet af professor Fiona Meldrum, fra University of Leeds School of Chemistry, er det lykkedes at skabe kunstige biomineraler, der udviser egenskaber, der ligner biomineraler, såsom søpindsvin.

De gjorde dette ved at dyrke calcitkrystaller i nærvær af syntetiske polymer -nanopartikler, der fungerer som kunstige proteiner. Disse nanopartikler er inkorporeret i krystalets arkitektur, når den vokser til at skabe et kompositmateriale.

Forskerne testede også de mekaniske egenskaber af kompositmaterialet ved hjælp af en nanoindenter, et lille mejsellignende værktøj, der kan prod et materiale og registrere dets reaktion på en kraft.

Professor Meldrum sagde:"Denne metode til at skabe syntetiske biomineraler giver os en unik indsigt i strukturen af ​​disse utrolige materialer og den måde, de organiske molekyler er inkorporeret i krystalstrukturen på et mikroskopisk niveau. Vi kan derefter relatere denne mikroskopiske struktur til det mekaniske materialets egenskaber.

"Det, vi fandt ud af, er, at det kunstige biomineral, vi har skabt, faktisk er meget hårdere end det rene calcitmineral, fordi det er et sammensat materiale - hvor du tilføjer noget blødt til et hårdt stof for at skabe noget, der er endnu hårdere end nogen af ​​de bestanddele."

Medforfatter professor Stephen Eichhorn, der lige er flyttet til University of Exeter fra University of Manchester, sagde:"Biologiske eksempler på calciumcarbonatbaserede strukturer har en højere hårdhed end rent mineral uden proteiner til stede. Det er bemærkelsesværdigt, at vi har været i stand til at opnå det samme resultat ved hjælp af et syntetisk 'pseudo' protein."

"Da jeg begyndte at undersøge de mekaniske egenskaber ved muslingeskaller i Manchester, samledes min første ph.d. -studerende og jeg bogstaveligt talt dem med en spand og en spade på stranden. Jeg forestillede mig ikke, at vi ville komme til stadiet med at kunne måle lignende egenskaber for materialer fremstillet i laboratoriet. "

Forskerne vil nu forsøge at replikere deres teknik ved hjælp af forskellige mineraler.