Natuurlijke materialen hebben buitengewone mechanische eigenschappen, die zijn gebaseerd op uitgekiende arrangementen en combinaties van meerdere bouwstenen. Een belangrijk aspect van het hedendaagse materiaalonderzoek is daarom het ontwikkelen van bio-geïnspireerde materialen die de eigenschappen van natuurlijke materialen bereiken – of zelfs die van bepaalde functionaliteiten overtreffen. De Walther-groep bij DWI heeft nu een op parelmoer geïnspireerd nanocomposiet gemaakt dat uitzonderlijke mechanische eigenschappen combineert met glasachtige transparantie en een hoge gas- en vuurbarrière ( Natuurcommunicatie , 2015).

De structuur van parelmoer lijkt op microscopische schaal op een bakstenen muur:calciumcarbonaatplaatjes ('bakstenen') worden afgewisseld met zachte biopolymeerlagen ('mortel'). Terwijl de vaste bloedplaatjes dienen als het dragende en versterkende deel, energie kan worden gedissipeerd in de zachte polymeersegmenten. Samen, dit resulteert in een lichtgewicht materiaal dat wordt beschouwd als de gouden standaard van natuurlijke materialen, omdat het zowel opmerkelijk stijf als taai is, een combinatie van eigenschappen die moeilijk te realiseren is in kunststof. Eerdere benaderingen om nacre-mimetica te synthetiseren waren niet haalbaar op grote schaal vanwege energie-intensieve en arbeidsintensieve meerstapsprocedures. Ook, het was niet mogelijk om transparante nacre-mimetische films en folies te synthetiseren.

Andreas Walther en zijn team besloten synthetische nanoklei te gebruiken voor hun parelmoer-mimetische materialen. Dit verbeterde de transparantie van het materiaal aanzienlijk. De onderzoeksgroep uit Aken verfijnde ook de onderliggende bereidingsprocedure:"Mosselen groeien parelmoer in een langdurig proces. Voor onze nanocomposieten, in plaats daarvan passen we een snel zelfmontageproces toe, " legt de chemicus uit. Ten eerste, de onderzoekers bekleden de klei met een laag polyvinylalcohol ('mortel op de baksteen') en vervolgens, deze kern/schildeeltjes assembleren zichzelf tot een dunne film na verwijdering van water. De hele procedure duurt minder dan 24 uur.

Om meer te weten te komen over hoe de afmetingen van de nanoklei de eigenschappen van het resulterende nanocomposiet beïnvloeden, Walther en collega's vergeleken nanobloedplaatjes van verschillende grootte. "De nacre-mimetica op basis van kleine kleisoorten zijn erg taai. als we grote kleisoorten gebruiken met een aspectverhouding van 3500, de resulterende nacre-mimetica zijn zowel extreem stijf als sterk. Hun mechanische eigenschappen komen in de buurt van die van vezelcomposieten, die veel arbeidsintensiever zijn om voor te bereiden, ", zegt promovendus Paramita Das. De glasachtige transparantie en de hoge gasbarrière van het nanocomposiet zijn een extra voordeel van het materiaal.

Deze uitstekende combinatie van eigenschappen maakt het parelmoer-mimetische materiaal een veelbelovende kandidaat voor toekomstige toepassingen, niet alleen als constructiemateriaal, maar ook voor gasopslagtoepassingen en voedselverpakkingen. In aanvulling, het kan worden gebruikt als een geavanceerd substraat en voor het inkapselen van zuurstofgevoelige organische elektronica in flexibele displays.