Een internationaal team onder leiding van onderzoekers van Technion-Israel Institute of Technology, samen met collega's van de Europese Synchrotron, Grenoble, Frankrijk, hebben ontdekt hoe een stekelhuidigen genaamd Ophiocoma wendtii, bekend als een broze ster, kan materiaal zoals gehard glas onder water maken. De bevindingen zijn gepubliceerd in Wetenschap en kan nieuwe bio-geïnspireerde routes openen voor het harder maken van bros keramiek in verschillende toepassingen die zich uitstrekken van optische lenzen tot turboladers voor auto's en zelfs implantaten van biomateriaal.

Honderden focale lenzen bevinden zich op de armen van de slangster. Deze lenzen, gemaakt van calciumcarbonaat, zijn krachtig en nauwkeurig, en de studie van hun kristallijne en nanoschaalstructuur heeft Boaz Pokroy en zijn team beziggehouden, van het Technion-Israel Institute of Technology, voor de afgelopen drie jaar. Dankzij onderzoek gedaan op drie ESRF-bundellijnen, ID22, ID13 en ID16B, onder andere laboratoria, ze hebben het unieke beschermende mechanisme van zeer resistente lenzen ontdekt.

Als voorbeeld, neem gehard glas. Het wordt geproduceerd door compressiedruk uit te oefenen op het glas waardoor het wordt samengedrukt en compacter blijft dan in zijn natuurlijke staat. Het harden van glas wordt uitgevoerd door het materiaal snel te verwarmen en vervolgens snel af te koelen. In dit proces, de buitenkant van het materiaal koelt sneller af dan de binnenkant en drukt daardoor de binnenkant samen. Ophiocoma wendtii lenzen worden gemaakt in de open zee, op kamertemperatuur, in tegenstelling tot gehard glas. "We hebben een strategie ontdekt om bros materiaal veel duurzamer te maken onder natuurlijke omstandigheden. Het is 'kristaltechniek, " en temperen zonder verhitten en blussen, een proces dat zeer nuttig kan zijn in materiaaltechniek, ", legt Pokroy uit.

De vorming van calcietlenzen werd ontdekt dankzij een lange reeks experimenten bij de ESRF, en de Titan transmissie-elektronenmicroscoop in het Technion. "Toen we voor het eerst bij de ESRF kwamen, hadden we niet verwacht dat ons onderzoek deze resultaten zou opleveren, ", zegt Pokroy. Het team kwam als eerste naar ID22, waar ze poederröntgendiffractie gebruikten om in poedervorm in het materiaal te kijken terwijl het werd verwarmd. "We begrepen dat we na dit experiment nanodomeinen hadden, dus we deden thuis wat transmissie-elektronenmicroscopie, kwam toen naar ID13 om de nanodomeinen in kaart te brengen en ten slotte naar ID16 om tomografie te doen over hoe de verschillende deeltjes zich in verschillende lagen rangschikken, " hij voegt toe.

De internationale onderzoekers ontdekten dat de cruciale fase in het proces van lensvorming de overgang is van de amorfe fase - de fase tussen vloeibaar en vast - naar de kristallijne fase. In dit stadium, calciet nanodeeltjes, die rijk zijn aan magnesium en gekenmerkt worden door een relatief lage dichtheid, gescheiden van de rest van het materiaal. Het verschil in concentratie van magnesium in de calcietdeeltjes veroorzaakt verschillende gradaties van hardheid, dichtheid, en druk in verschillende delen van het materiaal. Magnesiumrijke deeltjes drukken op het binnenste deel van de lens terwijl het kristalliseert en "temperen" tot een helder en taai kristallijn materiaal.

"De natuur vertoont een enorme creativiteit bij het verbeteren van de mogelijkheden van het organisme in verschillende contexten, zoals kracht, voelen, en zelfverdediging. Hier, te, in het proces van het creëren van sterke en nauwkeurige transparante lenzen, we zien een enorme efficiëntie in het gebruik van bestaande grondstoffen onder omstandigheden in de natuurlijke omgeving." Ingenieurs kunnen deze nieuw ontdekte biostrategie nu gebruiken bij het harden en versterken van synthetische keramische materialen in verschillende toepassingen die gaan van optische lenzen tot turboladers voor auto's en zelfs implantaten van biomateriaal.