(PhysOrg.com) -- Forskare har framgångsrikt skapat syntetiska kristaller vars strukturer och egenskaper efterliknar de hos naturligt förekommande biomineraler som snäckskal.
Resultaten, publiceras i tidskriften Naturmaterial , kan vara ett viktigt steg i utvecklingen av högpresterande material, som skulle kunna tillverkas under miljövänliga förhållanden.
Biologiska mineraler eller "biomineraler" förekommer i stor utsträckning i naturen i strukturer som ben, tänder och snäckskal och visar ofta anmärkningsvärda former och egenskaper jämfört med sina syntetiska motsvarigheter.
En nyckelfunktion hos biomineraler är att de är kompositmaterial, gjord av ett oorganiskt mineral som kalciumkarbonat som innehåller en liten mängd organiskt material, vanligtvis ett protein.
De resulterande strukturerna är otroligt hårda och deras mekaniska egenskaper kan konkurrera med de hos konstgjorda material som keramik, som vanligtvis tillverkas under höga temperaturer och tryck, ger mindre möjlighet till kontroll över materialegenskaperna.
Forskare är intresserade av att förstå hur biologi kan utföra sådan precisionsteknik i vatten vid omgivningstemperaturer så att de kan tillämpa denna princip på design och produktion av syntetiska material som är mycket grönare än befintliga.
Nu är ett team ledd av professor Fiona Meldrum, från University of Leeds School of Chemistry, har lyckats skapa konstgjorda biomineraler som uppvisar liknande egenskaper som biomineraler som sjöborrar.
De gjorde detta genom att odla kalcitkristaller i närvaro av syntetiska polymernanopartiklar som fungerar som konstgjorda proteiner. Dessa nanopartiklar införlivas i kristallens arkitektur när den växer för att skapa ett kompositmaterial.
Forskarna testade också kompositmaterialets mekaniska egenskaper med hjälp av en nanoindenter, ett litet mejselliknande verktyg som kan driva ett material och registrera dess svar på en kraft.
Professor Meldrum sa:"Denna metod för att skapa syntetiska biomineraler ger oss en unik insikt i strukturen hos dessa otroliga material och hur de organiska molekylerna är inkorporerade i kristallstrukturen på mikroskopisk nivå. Vi kan sedan relatera denna mikroskopiska struktur till den mekaniska materialets egenskaper.
"Vad vi fann är att det konstgjorda biomineral vi har skapat faktiskt är mycket hårdare än det rena kalcitmineralet eftersom det är ett kompositmaterial - där man lägger till något mjukt till ett hårt ämne för att skapa något som är ännu hårdare än någon av beståndsdelarna."
Medförfattare professor Stephen Eichhorn, som just har flyttat till University of Exeter från University of Manchester, sa:"Biologiska exempel på kalciumkarbonatbaserade strukturer har en högre hårdhet än rent mineral utan proteiner närvarande. Det är anmärkningsvärt att vi har kunnat uppnå samma resultat med ett syntetiskt "pseudo"-protein."
"När jag började undersöka de mekaniska egenskaperna hos snäckskal i Manchester samlade min första doktorand och jag dem bokstavligen med en hink och spade på stranden. Jag trodde inte att vi skulle komma till det stadiet att kunna mäta liknande egenskaper för material tillverkade i labbet."
Forskarna ska nu försöka replikera sin teknik med hjälp av olika mineraler.
