Natuurlijk parelmoer, zoals mosselen, is een van de moeilijkste, meest stabiele en stijve natuurlijke materialen. Onderzoekers zijn er altijd door gefascineerd geweest. De structuur van parelmoer is voortreffelijk onder de elektronenmicroscoop; het lijkt op een miniatuur bakstenen muur, waarvan de voegen zijn opgevuld met mortel. De stenen zijn samengesteld uit minuscule calciumcarbonaatplaten die op elkaar zijn gestapeld en onderling zijn verbonden met minerale bruggen, en gevuld met een vijzel samengesteld uit een organische substantie.

ETH-onderzoekers van de Group for Complex Materials onder leiding van André R. Studart hebben deze structuur onderzocht en nagebootst. De materiaalwetenschappers gebruiken een speciaal door hen ontwikkeld proces om dergelijke parelmoerachtige materialen te produceren.

Ze gebruiken in de handel verkrijgbare aluminiumoxideplaten van enkele tientallen micrometers groot en een epoxyhars die als voegcement fungeert. In een roterend magnetisch veld, de onderzoekers richten de gemagnetiseerde platen opgelost in waterige oplossing naar wens in één richting, en onder hoge druk en temperaturen van rond de 1000 graden Celsius stollen ze het materiaal met toevoeging van een hars. Dit resulteert in een composietmateriaal met een vergelijkbare microstructuur als natuurlijk parelmoer.

Bruggen versterken de structuur

Om het kunstmatige parelmoer nog stabieler en harder te maken, het team gebruikte nu dergelijke platen bedekt met titaniumoxide. Titaanoxide begint te smelten bij ongeveer 800 graden, wat een lager smeltpunt is dan aluminiumoxide. Druppels van titaniumoxide vormen zich op het oppervlak van de bloedplaatjes en veranderen in bruggen, waardoor de hele structuur wordt versterkt. "Deze bruggen beïnvloeden ook aanzienlijk, de sterkte van het materiaal, " zegt Kunal Masania, co-auteur van een studie die zojuist is gepubliceerd in het technische tijdschrift PNAS .

De dichtheid van deze titaniumbruggen kan nauwkeurig worden aangepast door druk en temperatuur, om kunstparelmoer te produceren met de gewenste fysieke eigenschappen zoals stijfheid, sterkte en breuktaaiheid. Met behulp van een model en experimenten, de onderzoekers berekenden welke druk- en temperatuuromstandigheden de vorming bevorderen van de respectievelijke eigenschappen die qua stijfheid vergelijkbaar zijn met koolstofvezelcomposieten. Hiermee, het team heeft een nieuw wereldrecord gevestigd in het combineren van stijfheid, sterkte en taaiheid in dit soort bio-geïnspireerd materiaal.

Met de nieuw ontwikkelde technologie, parelmoerachtige materialen kunnen worden geproduceerd die op maat gemaakte eigenschappen hebben voor de betreffende toepassing. Mogelijke toepassingen zijn constructie, vliegtuigen en ruimte.