Sedan mänsklighetens begynnelse utvecklar och förbättrar vi material med bättre och mer optimerade materialegenskaper. Genom att förstå hur naturliga material tillverkas, man ska kunna imitera och modifiera dem. Och det är precis vad Mark van Rijt och Bernette Oosterlaken (kemiteknik och kemi) gjorde, båda ur ett annat perspektiv.

För att bygga material med exceptionella avstämda egenskaper, naturen använder ett relativt litet utbud av vanliga och vanliga byggstenar. Dessa vanliga byggstenar är inkorporerade med både en hög kontroll över kristallmorfologi och en hierarkisk kontroll över deras struktur, från nanometerskalan till millimeterskalan. Många av dessa material är hybrid och består av en organisk och en oorganisk del.

Ofta, den organiska delen samlas i en definierad hierarkisk struktur och är mineraliserad med den oorganiska delen. Samspelet mellan dessa material leder till extraordinära egenskaper. Till exempel, kalciumfosfat är starkt men skört, men när den mineraliseras i en kollagenmatris, som i ben, det slutliga materialet uppvisar styrka och avsevärd seghet.

Ny syntesstrategi

Mark van Rijt undersökte införlivandet av zinkoxid (ZnO) i organiska mallar. På så sätt ett nytt material med, förhoppningsvis, nya avancerade fastigheter bör kunna erhållas. Dock, ZnO bildas vanligtvis vid en temperatur som en organisk mall inte kan överleva. Därav, man söker efter alternativa metoder inklusive att direkt bilda ZnO inuti en organisk mall. För detta är det viktigt att ZnO först kan syntetiseras under mallvänliga förhållanden.

Van Rijt utvecklade därför en ny syntesstrategi efter att ha använt avancerad kryogen transmissionselektronmikroskopi (CryoTEM) provtagningsexperiment för att undersöka bildandet av en gemensam ZnO-bildningsstrategi i vatten i detalj över tid. Efter optimering, denna mycket kontrollerade syntesstrategi möjliggör bildandet av ZnO vid temperaturer så låga som ~ 40 ° C och kan därför nu fungera som grund för ZnO -mineralisering av känsliga organiska mallar.

Inspiration från naturen

Bernette Oosterlaken arbetade med olika organiska mallar för att studera bildandet av ett annat mineral, magnetit. Denna järnoxid har den högsta mättnadsmagnetiseringen av alla naturligt förekommande mineraler, leder till magnetiska egenskaper. Dess magnetiska beteende beror mycket på kristallstorleken och formen och som sådan, genom att kontrollera kristallvanan, dess magnetiska beteende kan ställas in.

Att hitta inspiration från naturen, där hög kontroll över kristallstorlek och form uppnås även vid omgivningstemperatur och i vattenhaltiga medier, Oosterlaken syftade till en liknande kontroll över kristallvanan genom att tillhandahålla en organisk mall för järnoxidbildning. Efter tidsbestämda och in-situ-tekniker, kombinerat med spektroskopiska tekniker, Oosterlaken lyckades framgångsrikt mineralisera en av de utvalda mallarna, kollagen, med järnoxider.

Forskningen av van Rijt och Oosterlaken gav en första inblick i de faktorer som driver bildandet av mineral inuti mallar, och därmed ett allra första steg i designen av nya naturbaserade syntetiska material.