parelmoer, het iriserende materiaal dat schelpen van weekdieren zoals parelmoer en abalone bekleedt, is al lang een gewaardeerde vondst van strandjutters en schelpenverzamelaars, vanwege de natuurlijke schoonheid en de verscheidenheid aan kleuren die erin te vinden zijn. Maar wetenschappers en ingenieurs hebben zich ook lang verwonderd over en bestudeerd parelmoer; het is een taai en sterk materiaal, samengesteld uit afwisselende lagen van aragoniet-bloedplaatjes en film op basis van organische eiwitten. De natuurlijke wereld bevat veel materialen die in de loop van de tijd zijn geëvolueerd om de sterkte te optimaliseren, duurzaamheid, en prestaties. Terwijl onderzoekers en ingenieurs verbeterde en duurzamere bouwmaterialen willen ontwikkelen, ze zoeken steeds meer naar de natuur voor inspiratie.

Door de fysieke samenstelling van parelmoer is het bestand tegen aanzienlijke hoeveelheden druk en schade langs de bloedplaatjes zonder grote schade aan de hele schaal te veroorzaken. Sommigen hebben verondersteld dat er meer speelt bij de individuele bloedplaatjes waardoor ze zo'n buitengewone sterkte en duurzaamheid hebben, maar onderzoekers hebben tot nu toe niet de tools en processen gehad om dieper in de relatie tussen de kristaloriëntatie en de mechanische eigenschappen te graven.

In de laatste twee decennia, de schalen zijn typisch getest op hun sterkte met behulp van technieken zoals macroscopische buigtest, micro-/nano-inspringing, en atoomkrachtmicroscoop. Nutsvoorzieningen, MIT-assistent-professor civiele en milieutechniek Admir Masic, afgestudeerde student Hyun-Chae "Chad" Loh, en vijf anderen hebben scanning-elektronenmicroscopie en micro-indentatie gecombineerd met Raman-spectroscopie en een krachtige chemo-mechanische karakteriseringsmethode ontwikkeld die driedimensionale stress- en strain-mapping mogelijk maakt via een techniek die bekend staat als piëzo-Raman.

"We hebben een methodologie ontwikkeld om belangrijke chemo-mechanische informatie te extraheren uit een biologisch systeem dat zeer goed bekend en bestudeerd is, " legt Masic uit, wiens bevindingen onlangs werden gepubliceerd in Communications Materials. "Door micro-inspringing en piëzo-Raman-resultaten te correleren, konden we de hoeveelheid stress die door de hiërarchische structuur werd afgevoerd, evalueren en kwantificeren."

De nieuwe benadering voor het kwantificeren van de mechanische prestaties van het materiaal is op zich al groot nieuws, maar tijdens het proces Masic en collega-onderzoekers - aan wie hij veel van het werk in deze samenwerking toeschrijft - waren verrast door de resultaten.

"We hebben deze hulpmiddelen voor het eerst toegepast om het spanningsverhardende mechanisme op een schaal van enkele microns te bestuderen. we merkten dat de dissipatie van energie niet beperkt bleef tot de bakstenen-en-mortelstructuur, maar was van invloed op een veel groter gebied dan we hadden verwacht. We breidden ons onderzoeksgebied uit naar een grotere schaal en vonden dit nieuwe hardingsmechanisme dat gerelateerd is aan een mesostructuur op een schaal van 20 micron, ", zegt Loh. Wat de onderzoekers ontdekten, is dat stapels co-georiënteerde aragoniet-bloedplaatjes een ander hiërarchisch structuurniveau vormen, waardoor het materiaal harder wordt als het wordt belast.

Gepolariseerde Raman, een andere techniek die in dit onderzoek is gebruikt, hielp het team bij het observeren van wat bekend staat als de kristallografische oriëntatie van de aragonietstenen. Door het onderzoeken van de oriëntatiepatronen, onderzoekers konden de karakteristieke lengteschaal van de aragonietstapels ophelderen en relateren aan de scheurvoortplantingspatronen. De scheuren verspreidden zich tussen de aragonietstapels, waaruit hun mechanische bijdrage aan de taaiheid van parelmoer blijkt.

"Dit gaf ons een opening om mogelijk uit te leggen wat deze verharding op grotere schaal veroorzaakt. Systematische rangschikkingen van kristallen kunnen worden gevonden in andere biominerale materialen, zoals onze tanden, en de microtextuur van de materialen heeft een directe invloed op hun functie", zegt Masic.

Het nabootsen van natuurlijke materialen zoals parelmoer is een populaire strategie geweest voor het ontwerpen van nieuwe materialen. De kleinschaligheid van hun structuren, echter, vormt een uitdaging voor het repliceren en vervaardigen van de natuurlijke morfologieën. "Met onze ontdekking, we stellen een nieuwe biomimicry-strategie voor om de structuur van paarlemoer op een schaal van 10 micron of groter te simuleren, in plaats van het nano-niveau." zegt Masic.

Het is opwindend nieuws voor onderzoekers die nieuwe mogelijkheden onderzoeken voor synthetische materialen die zijn geïnspireerd op natuurlijk design.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.