Naturlig pärlemor, som musslor, är en av de svåraste, mest stabila och styva naturmaterial. Forskare har alltid fascinerats av det. Strukturen hos pärlemor är utsökt under elektronmikroskopet; det ser ut som en tegelvägg i miniatyr, vars fogar är fyllda med murbruk. Tegelstenarna är sammansatta av små kalciumkarbonatplattor staplade ovanpå varandra och sammankopplade med mineralbroar, och fylld med en mortel som består av ett organiskt ämne.

ETH-forskare från gruppen för komplexa material under ledning av André R. Studart har undersökt och imiterat denna struktur. Materialforskarna använder en speciell process som utvecklats av dem för att producera sådana pärlemor-liknande material.

De använder kommersiellt tillgängliga aluminiumoxidplattor som är några dussin mikrometer stora och ett epoxiharts som fungerar som ett fogcement. I ett roterande magnetfält, forskarna riktar de magnetiserade plattorna upplösta i vattenlösning som önskat i en riktning, och under högt tryck och temperaturer på runt 1000 grader Celsius stelnar de materialet med tillsats av ett harts. Detta resulterar i ett kompositmaterial med liknande mikrostruktur som naturlig pärlemor.

Broar stärker strukturen

För att göra den konstgjorda pärlemoren ännu stabilare och hårdare, teamet använde nu sådana plattor belagda med titanoxid. Titanoxid börjar smälta vid cirka 800 grader, vilket är en lägre smältpunkt än aluminiumoxid. Titanoxiddroppar bildas på ytan av blodplättarna och förvandlas till broar, stärker alltså hela strukturen. "Dessa broar påverkar också avsevärt, materialets styrka, " säger Kunal Masania, medförfattare till en studie som just har publicerats i den tekniska tidskriften PNAS .

Tätheten hos dessa titanbryggor kan justeras exakt efter tryck och temperatur, att producera konstgjord pärlemor med de önskade fysiska egenskaperna som styvhet, styrka och brottseghet. Med hjälp av en modell och experiment, forskarna beräknade vilka tryck- och temperaturförhållanden som främjar bildandet av respektive egenskaper som i styvhet är jämförbara med kolfiberkompositer. Med detta, teamet har etablerat ett nytt världsrekord i att kombinera styvhet, styrka och seghet i denna typ av bioinspirerat material.

Med den nyutvecklade tekniken, Det kan tillverkas pärlemorliknande material som har skräddarsydda egenskaper för respektive applikation. Möjliga tillämpningar inkluderar konstruktion, flygplan och rymd.