Van de mysteries van het produceren van rode kleuren in traditioneel Japans Bizen-steengoed tot ijzeroxiderende bacteriën voor lithium-ionbatterijen, Professor Jun Takada loopt voorop in het onderzoek naar innovatieve ijzeroxide nanomaterialen.

Professor Jun Takada is verbonden aan de Graduate School of Natural Science and Technology aan de Okayama University. "Ik heb dertig jaar lang onderzocht hoe ambachtslieden in staat waren om de prachtige rode kleuren in Bizen en Arita aardewerk weer te geven, " legt Takada uit. "Dit onderzoek onthulde de belangrijke rol van ijzeroxidedeeltjes voor het produceren van de kleuren. Ik werk nu aan innovatieve toepassingen van ijzeroxide materialen op nanometerschaal geproduceerd door 'ijzeroxiderende bacteriën'. Ik heb de overstap gemaakt van fijn keramiek en Bizen-steengoed naar brandstofcellen en biotechnologie!"

Bizen ware heeft een geschiedenis van meer dan duizend jaar. Het aardewerk heeft kenmerkende 'hidasuki' of 'vuurgemarkeerde' roodbruine kleuren (Fig. 1) en wordt geproduceerd met ijzerrijke klei die wordt gewonnen uit rijstvelden in het Bizen-gebied van de prefectuur Okayama. Intrigerend, de rode kleuren worden weergegeven door stro om het aardewerk te wikkelen en niet door te glazuren. Maar waarom doet het stro, die oorspronkelijk werd gebruikt om stukken steengoed in ovens te scheiden, de rode kleuren produceren waar het rietje in contact is met het oppervlak van de klei?

"Ons onderzoek toonde aan dat de Bizen-klei een hoog ijzergehalte had, lagere concentraties van andere elementen, waaronder silicium, calcium, magnesium, en natrium, " legt Takada uit. "De rode patronen worden geproduceerd door de precipitatie van korund (α-Al2O3) gevolgd door de vorming van hermatiet (α-Fe2O3) eromheen tijdens het koelproces."

Specifieker, kalium in het stro verlaagt het smeltpunt van het oppervlak van de Bizen-klei, wat leidt tot de vorming van een ongeveer 50 micrometer dikke vloeistof in het oppervlak van de hete klei, waar de bovengenoemde reacties optreden. Verder, het onderzoek identificeerde de vorming van sandwichachtige kristallen van α-Fe2O3/α-Al2O3/α-Fe2O3-deeltjes tijdens de reactie in de langzame afkoeling. (Fig.1)

"De belangrijkste uitkomst van het onderzoek was het belang van hematiet bij de vorming van de hidasuki-rode patronen, " zegt Takada. "We hebben ook een verband gevonden tussen de groei van hematietdeeltjes en de kleur van de resulterende Bizen-waren."

Takada en collega's produceerden ook zogenaamd Al-gesubstitueerd hematiet, waar de substitutie van Al de korrelgroei van hematiet onderdrukte en de toonkleur sterker werd met toenemend aluminium. (Fig. 2) Ze ontdekten dat deeltjes van ongeveer 100 nm geelachtig rood produceerden, en grotere deeltjesgroottes leidden tot rode en uiteindelijk donkerpaarse kleuren. Dit onderzoek heeft de onderzoekers uiteindelijk in staat gesteld om op hematiet gebaseerde poeders te produceren die geen gevaarlijke elementen bevatten zoals chroom of lood, en daardoor vergroot het toepassingsgebied van deze materialen, vooral het produceren van Aka-e-decoratie op het overgeglazuurde Arita-waren.

Geïnspireerd door zijn onderzoek naar hematiet- en ijzeroxidedeeltjes voor het produceren van rode kleuren, Takada startte nieuw onderzoek naar de bereiding van nanostructuurbuizen en vezels van ijzeroxiden - bekend als biogene ijzeroxiden (BIOX) (Fig. 3) - geproduceerd door zogenaamde ijzeroxiderende bacteriën. "Het geelbruine neerslag dat in een grondwaterbron wordt gevonden, is te wijten aan de aanwezigheid van extracellulaire vezelbundels die worden geproduceerd door ijzeroxiderende bacteriën zoals Leptothrix ochracea, ", zegt Takada. "Ons onderzoek toont aan dat dit anders nutteloos ogende materiaal een aantal uiterst belangrijke toepassingen heeft." onderzoek door Takada naar de fysische eigenschappen van de BIOX-matrix toonde aan dat dit ijzeroxide een amorfe staat heeft, gemaakt van een organische/anorganische hybride structuur van ~3 nm grote nanodeeltjes van een groot aantal verschillende elementen, waaronder koolstof, fosfor, silicium, en ijzer.

Belangrijke toepassingen van BIOX zijn onder meer als anodemateriaal van Li-ionbatterijen, katalysatoren, kleur pigmentatie, en innovatie op basis van deze materialen hoge affiniteit met menselijke cellen. "Onze studies over de vorming van BIOX tonen aan dat extracellulaire afscheiding van bacteriële polymeren de afzetting en binding van anorganische stoffen in het water zoals Fe, Si, en P, wat resulteert in de unieke organische/anorganische hybride, ", zegt Takada. "Deze goedkope BIOX is een milieuvriendelijk en niet-toxisch functioneel materiaal met een breed scala aan toepassingen, waaronder het produceren van fijn keramiek en kunst, dat zijn de wortels van dit onderzoek."