211service.com
Sterke, lichte en rekbare materialen
Onderzoekers hebben kleine bloedplaatjes aluminiumoxide in een polymeer gedispergeerd om een materiaal te maken dat taai, rekbaar en lichtgewicht is. Het materiaal kan leiden tot duurzamere bot- en tandheelkundige implantaten en lichtere, zuinigere auto- en vliegtuigonderdelen. Het kan ook worden gebruikt om buigbare, transparante elektronica te maken.
Natuur kopiëren: Een dwarsdoorsnede van parelmoer, of parelmoer, toont calciumcarbonaatplaatjes die in lagen zijn gerangschikt, gescheiden door een biopolymeer (boven). Onderzoekers hebben de structuur van parelmoer nagebootst door aluminiumoxide-plaatjes in het biopolymeer chitosan (bodem) te dispergeren, wat een nanocomposiet oplevert dat sterk, rekbaar en licht is.
In hun pogingen om sterke maar lichte materialen te maken, hebben scheikundigen en materiaalwetenschappers lang geprobeerd nanostructuren in de natuur na te bootsen. Schelpen, botten en tandglazuur bestaan allemaal uit stijve keramische bloedplaatjes die zijn gerangschikt in een polymeermatrix zoals bakstenen in mortel. Deze hybride materialen combineren de sterkte van keramiek en de rekbaarheid van polymeren.
In 2007 ontwikkelden onderzoekers van de Universiteit van Michigan met klei versterkte polymeren die extreem sterk maar bros waren: het kost veel energie om ze te vervormen, maar als ze vervormen, breken ze abrupt. Onderzoekers van het MIT zijn erin geslaagd stijve maar minder brosse klei-polymeercomposieten te maken, die enige rek verdragen voordat ze breken. (Zie Ultrasterke Nanotech-materialen .)
Ludwig Gauckler , de professor in materialen aan het Zwitserse Federale Instituut voor Technologie Zürich, in Zwitserland, die het nieuwe werk leidde, zegt dat de composiet van zijn groep nog beter is. Het is vijf keer zo sterk als het materiaal dat aan het MIT is gemaakt, zegt hij, maar het is nog steeds rekbaar. Een film van het composiet is al zo sterk als aluminiumfolie, zegt Gauckler, maar als het wordt uitgerekt, kan het tot 25 procent van zijn grootte uitzetten; aluminiumfolie zou breken bij 2 procent.
Een bijkomend voordeel van het hybride materiaal is dat het licht is, zegt materiaalwetenschapper Andre Studart van Harvard, die bij het werk betrokken was. Het materiaal is half tot een kwart zo zwaar als staal van dezelfde sterkte, zegt Studart, en het zou een goede vervanging zijn voor glasvezel, dat veel wordt gebruikt in auto-onderdelen. Omdat de sterkte van het materiaal komt van de bloedplaatjes die er doorheen diffunderen, zegt Studart, zal het sterk zijn in twee richtingen en niet alleen in één richting, zoals in het geval van vezelversterkt materiaal.
Bovendien, hoewel het materiaal nu doorschijnend is, zou de structuur ervan kunnen worden gewijzigd om het transparant te maken, waardoor het geschikt is voor tandheelkundig materiaal en transparante elektronische circuits.
Om hun materiaal samen te stellen, dispergeren de onderzoekers aluminiumoxide-plaatjes in ethanol en verspreiden ze het mengsel over water. De bloedplaatjes rangschikken zich in een enkele laag op het wateroppervlak. Vervolgens dopen de onderzoekers een glasplaat in de oplossing en brengen de bloedplaatjes over naar het glas. Ten slotte leggen ze een laag van het biocompatibele polymeer chitosan bovenop de bloedplaatjes. De onderzoekers herhalen dit proces tot de dikte van het uiteindelijke composiet enkele tientallen micrometers is, en trekken het materiaal vervolgens met een scheermesje van de glasplaat.
Bij het ontwerpen van het materiaal bestudeerden de onderzoekers zorgvuldig de mechanische structuur van parelmoer, de glanzende laag aan de binnenkant van schelpen, en probeerden deze te verbeteren. Nacre heeft bloedplaatjes gemaakt van calciumcarbonaat die in lagen zijn gerangschikt in een op eiwit gebaseerd polymeer. Er is iets heel bijzonders aan de grootte van deze bloedplaatjes, zegt Studart. Parelmoer gebruikt specifieke lengte en dikte van bloedplaatjes om de hoge sterkte en [rekbaarheid] te bereiken die u in metalen ziet.
De verhouding tussen de lengte en dikte van de bloedplaatjes moet precies goed zijn, zegt Studart. Als het te hoog is, breken de bloedplaatjes wanneer het materiaal wordt uitgerekt. Als het te laag is, is het materiaal niet erg stijf.
De onderzoekers kozen ervoor om te werken met aluminiumoxide-plaatjes, die vijf keer zo sterk zijn als de calciumcarbonaat-plaatjes in parelmoer. Ze maakten ook hun bloedplaatjes dunner - ongeveer 200 nanometer in doorsnee, in tegenstelling tot de 500 tot 1000 nanometer van de natuurlijk voorkomende bloedplaatjes - om de kans op gebreken in hun structuur te verkleinen. De beste gemiddelde lengte-dikteverhouding, berekenden de onderzoekers, is 40, dus maakten ze de bloedplaatjes 5 tot 10 micrometer lang. Sterkere bloedplaatjes stellen ons in staat om een hogere verhouding te gebruiken en dus een hogere sterkte te bereiken, in vergelijking met schelpen, met een lagere concentratie aan bloedplaatjes, zegt Studart. Lage concentraties zijn belangrijk, zegt hij, omdat het composiet dan meer polymeer heeft en veel [rekbaarheid].
Dit komt het dichtst in de buurt van het dupliceren van de mechanische structuur en het gedrag van een natuurlijk materiaal, zegt Francois Barthelat , een professor werktuigbouwkunde en onderzoeker op het gebied van biomimetische materialen aan de McGill University in Montreal, Quebec. Maar voordat het materiaal kan worden gebruikt, zegt hij, zullen de onderzoekers een snellere manier moeten ontwikkelen om het in grotere hoeveelheden te maken.
Professor scheikunde aan de Princeton University Ilhan Aksay vindt dat de techniek eenvoudig aan te passen moet zijn, zodat deze geschikt is voor massaproductie. Met deze techniek kun je grote vormen maken, zegt hij. Hij stelt zich voor dat het materiaal nuttig kan zijn voor bot- en tandheelkundige implantaten.
Gauckler zegt dat het materiaal veel verbeteringen behoeft voordat het praktisch kan worden gebruikt. Een beter polymeer zou de composiet sterker maken. De onderzoekers moeten ook een manier vinden om een betere hechting tussen het aluminiumoxide en het polymeer te krijgen. Voor nu, zegt Gauckler, hebben we laten zien dat we [dicht bij] kunnen komen om het werk net zo goed te doen als de natuur.