Klassieke materialen zoals keramiek, metalen en polymeren hebben hun typische mechanische eigenschappen. Ze zijn moeilijk, zacht, sterk, flexibel of stijf. Hamburgse onderzoekswetenschappers hebben nu een materiaal gesynthetiseerd dat verschillende eigenschappen verenigt, en zou daardoor de weg kunnen openen naar nieuwe toepassingen in de medische techniek en productie. De wetenschappers van de Hamburg University of Technology (TUHH), de universiteit van Hamburg, het Helmholtz Center Geesthacht en DESY hebben hun nieuwe nanocomposiet gepresenteerd in het tijdschrift Natuurmaterialen . Deze nieuwe materiaalklasse zou bijvoorbeeld geschikt kunnen zijn voor het vullen van tandholten, of het vervaardigen van horlogekasten. De materialen die in dergelijke toepassingen worden gebruikt, moeten zowel hard als schadebestendig zijn.

De onderzoekswetenschappers hebben een nieuwe techniek ontwikkeld die een materiaal oplevert dat tegelijkertijd sterk, hard en stijf. Om dit te behalen, de wetenschappers gebruikten eerst een standaardprocedure, veel gebruikt bij het werken met nanodeeltjes, waarbij keramische ijzeroxide-nanodeeltjes in een regelmatige reeks worden afgezet. Dit gebeurt met behulp van organisch oliezuur, die in de nauwe openingen tussen de nanodeeltjes sijpelt en ze bij elkaar houdt.

"De zelforganisatie van deze nanodeeltjes leidt tot een uitgebreide, dicht opeengepakt superkristal dat doet denken aan atomaire kristalroosters, " legt een van de auteurs uit, Axel Dreyer van de TUHH. De cruciale ontdekking is dat door het materiaal vervolgens bloot te stellen aan gematigde hitte, het resulterende nanocomposiet vertoont een veel sterkere cohesie en zijn mechanische eigenschappen zijn anders dan die van alle andere.

Op de kleinste schaal, de structuur van het nieuwe materiaal lijkt op die van biologische harde weefsels, zoals parelmoer en tandglazuur. Het bestaat uit ijzeroxide-nanodeeltjes van uniforme grootte, die zijn bedekt met oliezuur. In eerdere onderzoeken is de bindingen tussen de oliezuurmoleculen waren erg zwak en veroorzaakt door zogenaamde Van der Waals-krachten. Door het materiaal bij verhoogde temperatuur te drogen en te persen en vervolgens een gecontroleerde thermische behandeling toe te passen, de wetenschapper is er nu in geslaagd een veel sterkere binding te creëren tussen de oliezuurmoleculen, waardoor de mechanische eigenschappen van het nanocomposiet aanzienlijk worden verbeterd.

Omdat oliezuur ook heel vaak wordt gebruikt bij het verwerken van andere nanodeeltjes, deze nieuwe methode zou mogelijk ook de mechanische eigenschappen van een groot aantal andere nanocomposieten kunnen verbeteren. De bindende eigenschappen van het oliezuur, die als lijm dient, zijn spectroscopisch onderzocht door de medewerkers van het DESY-Nanolab. "Onze metingen toonden aan dat de oliezuurmoleculen de thermische behandeling overleven en tijdens het proces extra verknopingen vormen, " meldt co-auteur Andreas Stierle, een vooraanstaand wetenschapper bij DESY. "Deze belangrijke bevinding kan dienen als basis voor het succesvol modelleren van de mechanische eigenschappen van dit nieuwe materiaal."