Ett internationellt team som leds av forskare vid Technion-Israel Institute of Technology, tillsammans med kollegor från European Synchrotron, Grenoble, Frankrike, har upptäckt hur en pekdjur kallas Ophiocoma wendtii, känd som en spröd stjärna, kan skapa material som härdat glas under vattnet. Resultaten publiceras i Vetenskap och kan öppna nya bioinspirerade vägar för härdning av spröd keramik i olika tillämpningar som sträcker sig från optiska linser till turboladdare till bilar och till och med biomaterialimplantat.

Hundratals fokuslinser finns på armarna på den spröda stjärnan. Dessa linser, tillverkad av kalciumkarbonat, är kraftfulla och korrekta, och studiet av deras kristallina och nanoskala struktur har ockuperat Boaz Pokroy och hans team, från Technion-Israel Institute of Technology, under de senaste tre åren. Tack vare forskning gjord på tre ESRF -strålar, ID22, ID13 och ID16B, bland andra laboratorier, de har räknat ut den unika skyddsmekanismen för mycket resistenta linser.

Som ett exempel, ta härdat glas. Det produceras genom att trycket trycks på glaset som komprimerar det och gör det mer kompakt än i dess naturliga tillstånd. Glashärdning utförs genom att snabbt värma upp och sedan snabbt kyla materialet. I denna process, materialets utsida svalnar snabbare än insidan och komprimerar därigenom insidan. Ophiocoma wendtii -linser skapas i det öppna havet, vid rumstemperatur, till skillnad från härdat glas. "Vi har upptäckt en strategi för att göra sprött material mycket mer hållbart under naturliga förhållanden. Det är" crystal engineering, "och härdning utan uppvärmning och släckning, en process som kan vara mycket användbar inom materialteknik, "förklarar Pokroy.

Bildandet av kalcitlinser upptäcktes tack vare en lång rad experiment på ESRF, och Titans transmissionselektronmikroskop vid Technion. "När vi först kom till ESRF förväntade vi oss inte att vår forskning skulle nå dessa resultat, "säger Pokroy. Laget kom först till ID22, där de använde röntgendiffraktion i pulver för att undersöka materialet i pulverform under uppvärmning. "Vi förstod att vi hade nanodomän efter detta experiment, så vi gjorde lite transmissionselektronmikroskopi hemma, kom sedan till ID13 för att kartlägga nanodomänen och slutligen till ID16 för att göra tomografi om hur de olika partiklarna ordnar sig i olika lager, " han lägger till.

De internationella forskarna upptäckte att det avgörande stadiet i linsbildningsprocessen är övergången från den amorfa fasen - fasen mellan flytande och fast - till den kristallina fasen. I detta skede, kalcit nanopartiklar, som är rika på magnesium och kännetecknas av en relativt låg densitet, separat från resten av materialet. Skillnaden i koncentration av magnesium i kalcitpartiklarna orsakar olika grader av hårdhet, densitet, och tryck i olika delar av materialet. Magnesiumrika partiklar pressar på linsens inre del när den kristalliserar och "tempererar" den till ett klart och segt kristallint material.

"Naturen uppvisar en enorm kreativitet när det gäller att förbättra organismens förmågor i olika sammanhang som styrka, avkänning, och självförsvar. Här, för, i färd med att skapa hårda och exakta transparenta linser, Vi ser en enorm effektivitet i användningen av befintliga råvaror under förhållanden i den naturliga miljön. "Ingenjörer kan nu använda denna nyupptäckta biostrategi för att härda och förstärka syntetiska keramiska material i olika applikationer som sträcker sig från optiska linser till bilens turboladdare och till och med biomaterialimplantat.