(PhysOrg.com) -- Wetenschappers hebben met succes synthetische kristallen gemaakt waarvan de structuren en eigenschappen die van natuurlijk voorkomende biomineralen zoals zeeschelpen nabootsen.

De bevindingen, gepubliceerd in het tijdschrift Natuurmaterialen , zou een belangrijke stap kunnen zijn in de ontwikkeling van hoogwaardige materialen, die onder milieuvriendelijke omstandigheden kunnen worden vervaardigd.

Biologische mineralen of 'biomineralen' komen overal in de natuur voor in structuren zoals botten, tanden en schelpen en vertonen vaak opmerkelijke vormen en eigenschappen in vergelijking met hun synthetische tegenhangers.

Een belangrijk kenmerk van biomineralen is dat het composietmaterialen zijn, gemaakt van een anorganisch mineraal zoals calciumcarbonaat dat een kleine hoeveelheid organisch materiaal bevat, meestal een eiwit.

De resulterende structuren zijn ongelooflijk hard en hun mechanische eigenschappen kunnen wedijveren met die van kunstmatige materialen zoals keramiek, die typisch worden vervaardigd onder hoge temperaturen en drukken, waardoor er minder controle is over de materiaaleigenschappen.

Wetenschappers willen begrijpen hoe de biologie in staat is om dergelijke precisie-engineering in water bij omgevingstemperaturen uit te voeren, zodat ze dit principe kunnen toepassen op het ontwerp en de productie van synthetische materialen die veel groener zijn dan bestaande.

Nu een team onder leiding van professor Fiona Meldrum, van de Universiteit van Leeds School of Chemistry, is erin geslaagd kunstmatige biomineralen te creëren die vergelijkbare eigenschappen vertonen als biomineralen zoals zee-egelstekels.

Dit deden ze door calcietkristallen te laten groeien in aanwezigheid van synthetische polymere nanodeeltjes die fungeren als kunstmatige eiwitten. Deze nanodeeltjes worden opgenomen in de architectuur van het kristal terwijl het groeit om een ​​composietmateriaal te creëren.

De onderzoekers testten ook de mechanische eigenschappen van het composietmateriaal met behulp van een nano-indenter, een klein beitelachtig gereedschap dat een materiaal kan prikken en zijn reactie op een kracht kan registreren.

Professor Meldrum zei:"Deze methode voor het maken van synthetische biomineralen geeft ons een uniek inzicht in de structuur van deze ongelooflijke materialen en de manier waarop de organische moleculen op microscopisch niveau in de kristalstructuur worden opgenomen. We kunnen deze microscopische structuur dan relateren aan de mechanische eigenschappen van het materiaal.

"Wat we ontdekten, is dat het kunstmatige biomineraal dat we hebben gemaakt eigenlijk veel harder is dan het pure calcietmineraal omdat het een composietmateriaal is - waarbij je iets zachts toevoegt aan een harde substantie om iets te creëren dat nog harder is dan een van de samenstellende delen."

Co-auteur professor Stephen Eichhorn, die net is verhuisd naar de Universiteit van Exeter van de Universiteit van Manchester, zei:"Biologische voorbeelden van op calciumcarbonaat gebaseerde structuren hebben een hogere hardheid dan puur mineraal zonder aanwezige eiwitten. Het is opmerkelijk dat we hetzelfde resultaat hebben kunnen bereiken met een synthetisch 'pseudo'-eiwit."

"Toen ik begon met het onderzoeken van de mechanische eigenschappen van schelpen in Manchester, mijn eerste promovendus, verzamelde ik ze letterlijk met een emmer en schop op het strand. Ik had niet gedacht dat we in staat zouden zijn om vergelijkbare eigenschappen te meten voor materialen gemaakt in het laboratorium."

De onderzoekers gaan nu proberen hun techniek te repliceren met verschillende mineralen.