Klassiska material som keramik, metaller och polymerer har sina typiska mekaniska egenskaper. De är svåra, mjuk, stark, flexibel eller stel. Forskare från Hamburg har nu syntetiserat ett material som förenar flera olika egenskaper, och skulle därmed kunna öppna vägen för nya tillämpningar inom medicinteknik och tillverkning. Forskarna från Hamburg University of Technology (TUHH), universitetet i Hamburg, Helmholtz Center Geesthacht och DESY har presenterat sin nya nanokomposit i tidskriften Naturmaterial . Denna nya materialklass kan till exempel vara lämplig för fyllning av tandhålor, eller tillverkning av klockfodral. Materialen som används i applikationer som dessa måste vara både hårda och skadetoleranta.

Forskarna har utvecklat en ny teknik som producerar ett material som samtidigt är starkt, hård och styv. För att uppnå detta, forskarna använde först ett standardförfarande, används ofta när man arbetar med nanopartiklar, varvid nanopartiklar av keramisk järnoxid avsätts i en vanlig array. Detta görs med hjälp av organisk oljesyra, som sipprar in i de smala luckorna mellan nanopartiklarna och håller ihop dem.

"Självorganiseringen av dessa nanopartiklar leder till en utökad, tätt packad superkristall som påminner om atomära kristallgitter, "förklarar en av författarna, Axel Dreyer från TUHH. Den avgörande upptäckten är att genom att därefter utsätta materialet för måttliga värmenivåer, den resulterande nanokompositen uppvisar en mycket starkare sammanhållning och dess mekaniska egenskaper skiljer sig från någon annans.

I minsta skala, strukturen hos det nya materialet liknar den hos biologiska hårda vävnader, som pärlemor och tandemalj. Den består av jämnstora järnoxidnanopartiklar, som är belagda med oljesyra. I tidigare studier har bindningarna mellan oljesyramolekylerna var mycket svaga och på grund av så kallade Van der Waals krafter. Genom att torka och pressa materialet vid förhöjd temperatur och sedan applicera en kontrollerad värmebehandling, forskaren har nu lyckats skapa en mycket starkare bindning mellan oljesyramolekylerna, därigenom förbättras markant de mekaniska egenskaperna hos nanokompositen.

Eftersom oljesyra mycket ofta används vid bearbetning av andra nanopartiklar, denna nya metod skulle potentiellt kunna förbättra de mekaniska egenskaperna hos många andra nanokompositer också. Oljesyrans bindningsegenskaper, som fungerar som ett lim, har undersökts spektroskopiskt av personalen på DESY-Nanolab. "Våra mätningar visade att oljesyramolekylerna överlever termisk behandling och bildar ytterligare tvärbindningar under processen, " rapporterar medförfattaren Andreas Stierle, en ledande forskare på DESY. "Detta viktiga fynd kan tjäna som grund för framgångsrik modellering av de nya mekaniska egenskaperna hos detta nya material."