De sterkste synthetische materialen zijn vaak die met opzet de natuur nabootsen.

Een natuurlijke stof waar wetenschappers naar hebben gekeken bij het maken van synthetische materialen is parelmoer, ook wel parelmoer genoemd. Een buitengewoon harde, stijf materiaal geproduceerd door sommige weekdieren en dienend als hun binnenste schaallaag, het omvat ook de buitenste laag van parels, waardoor ze hun schitterende glans krijgen.

Maar hoewel de unieke eigenschappen van parelmoer het een ideale inspiratiebron maken bij het maken van synthetische materialen, de meeste methoden die worden gebruikt om kunstmatige parelmoer te produceren, zijn complex en energie-intensief.

Nutsvoorzieningen, een bioloog aan de Universiteit van Rochester heeft een goedkope en milieuvriendelijke methode bedacht om kunstparelmoer te maken met behulp van een innovatief onderdeel:bacteriën. Het kunstmatige parelmoer gemaakt door Anne S. Meyer, een universitair hoofddocent biologie in Rochester, en haar collega's is gemaakt van biologisch geproduceerde materialen en heeft de taaiheid van natuurlijk paarlemoer, terwijl ze ook stijf zijn en, verrassend genoeg, buigbaar.

De methode die wordt gebruikt om het nieuwe materiaal te maken, kan leiden tot nieuwe toepassingen in de geneeskunde, engineering - en zelfs het bouwen van gebouwen op de maan.

Indrukwekkende mechanische eigenschappen

De indrukwekkende mechanische eigenschappen van natuurlijk paarlemoer komen voort uit zijn hiërarchische, gelaagde structuur, waardoor de energie gelijkmatig over het materiaal kan worden verdeeld. In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Klein , Meyer en haar collega's schetsen hun methode om twee bacteriestammen te gebruiken om deze lagen te repliceren. Toen ze de monsters onder een elektronenmicroscoop onderzochten, de structuur die door de bacteriën werd gecreëerd, was op dezelfde manier gelaagd als parelmoer die van nature door weekdieren wordt geproduceerd.

Hoewel op parelmoer geïnspireerde materialen al eerder synthetisch zijn gemaakt, de methoden die worden gebruikt om ze te maken, omvatten meestal dure apparatuur, extreme temperaturen, omstandigheden onder hoge druk, en giftige chemicaliën, zegt Meijer. "Veel mensen die kunstmatige parelmoer maken, gebruiken polymeerlagen die alleen oplosbaar zijn in niet-waterige oplossingen, een organisch oplosmiddel, en dan hebben ze deze gigantische emmer afval aan het einde van de procedure die moet worden afgevoerd."

Om parelmoer te produceren in Meyer's lab, echter, het enige wat onderzoekers hoeven te doen is bacteriën kweken en op een warme plaats laten zitten.

Van bacterie tot parelmoer

Om de kunstmatige parelmoer te maken, Meyer en haar team creëren afwisselend dunne lagen gekristalliseerd calciumcarbonaatachtig cement en kleverig polymeer. Ze nemen eerst een glazen of plastic glaasje en plaatsen deze in een beker met de bacteriën Sporosarcina pasteurii , een calciumbron, en ureum (in het menselijk lichaam, ureum is het afvalproduct dat door de nieren wordt uitgescheiden tijdens het plassen). Deze combinatie veroorzaakt de kristallisatie van calciumcarbonaat. Om de polymeerlaag te maken, ze plaatsen de dia in een oplossing van de bacteriën Bacillus licheniformis , laat de beker dan in een couveuse zitten.

Op dit moment duurt het ongeveer een dag om een ​​laag op te bouwen, ongeveer vijf micrometer dik, van calciumcarbonaat en polymeer. Meyer en haar team kijken momenteel naar het coaten van andere materialen zoals metaal met het parelmoer, en "we proberen nieuwe technieken om dikkere, parelmoerachtige materialen sneller en dat zou het hele materiaal zelf kunnen zijn, ' zegt Meijer.

Huizen bouwen op de maan

Een van de meest gunstige eigenschappen van het parelmoer dat in Meyer's laboratorium wordt geproduceerd, is dat het biocompatibel is - gemaakt van materialen die het menselijk lichaam produceert of die mensen hoe dan ook van nature kunnen eten. Dit maakt het parelmoer ideaal voor medische toepassingen zoals kunstmatige botten en implantaten, zegt Meijer. "Als je je arm breekt, bijvoorbeeld, u kunt een metalen pin plaatsen die met een tweede operatie moet worden verwijderd nadat uw bot is genezen. Een pin gemaakt van ons materiaal zou stijf en taai zijn, maar je zou het niet hoeven te verwijderen."

En, terwijl het materiaal taaier en stijver is dan de meeste kunststoffen, het is zeer licht van gewicht, een kwaliteit die vooral waardevol is voor transportvoertuigen zoals vliegtuigen, boten, of raketten, waar elk extra pond extra brandstof betekent. Omdat de productie van bacterieel parelmoer geen complexe instrumenten vereist, en de parelmoercoating beschermt tegen chemische degradatie en verwering, het is veelbelovend voor civieltechnische toepassingen zoals scheurpreventie, beschermende coatings voor erosiebestrijding, of voor het behoud van culturele artefacten, en nuttig zou kunnen zijn in de voedingsindustrie, als duurzaam verpakkingsmateriaal.

Het parelmoer zou ook een ideaal materiaal kunnen zijn om huizen op de maan en andere planeten te bouwen:de enige noodzakelijke "ingrediënten" zouden een astronaut en een buisje bacteriën zijn, zegt Meijer. "De maan heeft een grote hoeveelheid calcium in het maanstof, dus het calcium is er al. De astronaut brengt de bacteriën, en de astronaut maakt het ureum, dat is het enige andere dat je nodig hebt om calciumcarbonaatlagen te maken."

Zelfs buiten zijn kwaliteiten als ideaal constructiemateriaal, parelmoer zelf - zoals elke eigenaar van parelsieraden weet - is "erg mooi, "Meyer zegt, dankzij de gestapelde lagen. Elke gestapelde laag heeft ongeveer dezelfde golflengte als zichtbaar licht. Als het licht het parelmoer raakt, "de golflengten van licht interageren met deze lagen van dezelfde hoogte, zodat het terugkaatst in dezelfde golflengte als zichtbaar licht." Hoewel het bacteriële parelmoer geen interactie aangaat met zichtbaar licht omdat de lagen dikker zijn dan natuurlijk parelmoer, het kan interageren met infrarode golflengten en infrarood van zichzelf afkaatsen, Meijer zegt, die "unieke optische eigenschappen kunnen bieden."