Från mysterierna med att producera röda färger i traditionell japansk Bizen-stengods till järnoxiderande bakterier för litiumjonbatterier, Professor Jun Takada ligger i framkant av forskningen om innovativa nanomaterial av järnoxid.

Professor Jun Takada är vid Graduate School of Natural Science and Technology vid Okayama University. "Jag tillbringade trettio år med att undersöka hur hantverkare kunde återge de vackra röda färgerna i Bizen- och Arita-keramik, " förklarar Takada. "Denna forskning avslöjade den viktiga roll järnoxidpartiklar har för att producera färgerna. Jag arbetar nu med innovativa tillämpningar av järnoxidmaterial i nanometerskala som produceras av "järnoxiderande bakterier". Jag har gjort en övergång från fin keramik och Bizen stengods till bränsleceller och bioteknik!"

Bizen ware har en historia på mer än tusen år. Keramiken har distinkta "hidasuki" eller "eldmärkta" rödbruna färger (bild 1) och tillverkas med järnrik lera som bryts från risfält i Bizen-området i Okayama Prefecture. Spännande nog, de röda färgerna återges genom att linda halm runt stengodset och inte genom glasering. Men varför gör sugröret, som ursprungligen användes för att skilja bitar av stengods i ugnar, producera de röda färgerna där halmen är i kontakt med lerans yta?

"Vår forskning visade att Bizen -leran hade ett högt innehåll av järn, lägre koncentrationer av andra element, inklusive kisel, kalcium, magnesium, och natrium, "förklarar Takada." De röda mönstren produceras av utfällning av korund (α-Al2O3) följt av bildandet av hermatit (α-Fe2O3) runt det under kylningsprocessen. "

Mer specifikt, kalium i halmen minskar smältpunkten på Bizenlerans yta, vilket leder till bildandet av en cirka 50 mikrometer tjock vätska i ytan av den heta leran, där ovannämnda reaktioner inträffar. Vidare, forskningen identifierade bildandet av sandwichliknande kristaller av α-Fe2O3/α-Al2O3/α-Fe2O3-partiklar under reaktionen i den långsamma kylningen.(Fig.1)

"Det huvudsakliga resultatet av forskningen var betydelsen av hematit i bildandet av de hidasuki-röda mönstren, " säger Takada. "Vi hittade också ett samband mellan tillväxten av hematitpartiklar och färgen på den resulterande Bizen-varan."

Takada och kollegor producerade också så kallad Al-substituerad hematit, där ersättningen av Al undertryckte korntillväxt av hematit och tonfärgen blev starkare med ökande aluminium.(Fig.2) De fann att partiklar på cirka 100 nm producerade gulaktigt rött, och större partikelstorlekar ledde till röda och så småningom mörklila färger. Denna forskning gjorde det slutligen möjligt för forskarna att producera hematitbaserade pulver som inte innehåller farliga ämnen som krom eller bly, och därigenom ökar användningsområdet för dessa material, producerar speciellt Aka-e-dekoration på de överglaserade Arita-varorna.

Inspirerad av hans forskning om hematit och järnoxidpartiklar för att producera röda färger, Takada initierade ny forskning om framställning av nanostrukturrör och fibrer av järnoxider – kända som biogena järnoxider (BIOX)(Fig.3) – producerade av så kallade järnoxiderande bakterier. "Den gulbruna fällningen som finns i en grundvattenkälla beror på närvaron av extracellulära fibrösa buntar producerade av järnoxiderande bakterier som Leptothrix ochracea, " säger Takada. "Vår forskning visar att detta annars värdelösa material har några extremt viktiga tillämpningar." forskning av Takada om de fysikaliska egenskaperna hos BIOX-matrisen visade att denna järnoxid har ett amorft tillstånd gjord av organisk/oorganisk hybridstruktur av ~3 nm stora nanopartiklar av många olika grundämnen inklusive kol, fosfor, kisel, och järn.

Viktiga tillämpningar av BIOX inkluderar som anodmaterial för Li-ion-batterier, katalysatorer, färgpigmentering, och innovation baserad på detta material hög affinitet till mänskliga celler. "Våra studier på bildandet av BIOX visar att extracellulär utsöndring av bakteriella polymerer utlöser avsättning och bindning av vattenlevande oorganiska ämnen som Fe, Si, och P, vilket resulterar i den unika organiska/oorganiska hybriden, " säger Takada. "Denna billiga BIOX är ett miljövänligt och giftfritt funktionsmaterial med ett brett spektrum av applikationer, inklusive tillverkning av fin keramik och konst, som är rötterna till denna forskning."