Zee-egelstekels zijn meestal gemaakt van calciet, maar de stekels zijn veel duurzamer dan deze grondstof alleen. De reden voor hun kracht is de manier waarop de natuur materialen optimaliseert met behulp van een architectuur in bakstenen muurstijl. Een onderzoeksteam onder leiding van professor Helmut Cölfen heeft met succes cement op nanoniveau gesynthetiseerd volgens dit "baksteen-en-mortel"-principe. Tijdens dit proces, macromoleculen werden geïdentificeerd die de functie van mortel overnemen, de kristallijne blokken op nanoschaal aan elkaar bevestigen, waarbij de blokken zich op een geordende manier in elkaar zetten. Het doel is om cement duurzamer te maken. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het nummer van 1 december 2017 van: wetenschappelijke vooruitgang .

"Ons cement, die aanzienlijk breukvaster is dan alles wat tot nu toe is ontwikkeld, biedt ons volledig nieuwe bouwmogelijkheden, " zegt Cölfen. Een pilaar gemaakt van dit cement zou kunnen worden gebouwd 8, 000 meter hoog, of tien keer zo hoog als het huidige hoogste gebouw ter wereld, voordat het materiaal aan de basis zou worden vernietigd door zijn gewicht. Normaal staal, met een waarde van 250 megapascal, kon er maar 3 bereiken, 000 meter hoog.

In de nanowetenschap, architectuur in bakstenen muurstijl kan worden vergeleken met het werk van een metselaar:elke laag baksteen die wordt gelegd, wordt op zijn plaats gehouden door mortel. Het leidende principe is om harde lagen, dan zacht, moeilijk, dan zachte materialen. Dit is precies het principe dat de natuur gebruikt om de stekels van zee-egels zo veerkrachtig te maken. Wanneer kracht wordt uitgeoefend op het brosse calciet, zijn kristallijne blok barst, echter, de energie wordt vervolgens overgebracht naar een zachte ongeordende laag. Aangezien dit materiaal geen splijtvlakken heeft om te scheuren, het voorkomt verder scheuren. Een dun deel van de ruggengraat van zee-egels onthult dit structurele principe:kristallijne blokken in een geordende structuur worden omgeven door een zachter amorf gebied. In het geval van de zee-egel, dit materiaal is calciumcarbonaat.

Mosselschelpen of botten worden op vrijwel dezelfde manier geconstrueerd. "Ons doel is om te leren van de natuur, ", zegt Helmut Cölfen. De onderzoeker is meermaals onderscheiden voor zijn baanbrekende resultaten op het gebied van kristallisatie, met, bijvoorbeeld, de 2013 Academy Prize van de Berlin-Brandenburg Academy of Sciences and Humanities. Bionics of biomimetica is de term die wordt gebruikt voor het gebruik van natuurlijke fenomenen om technische ontwikkelingen te inspireren.

Cement zelf heeft een ongeordende structuur - elk onderdeel plakt aan alle andere. Dit betekent dat om cement echt te laten profiteren van de verhoogde stabiliteit die wordt geboden door baksteen- en mortelconstructie, de structuur ervan zal op nanoniveau moeten worden gereorganiseerd. Helmut Cölfen beschrijft het proces als "codering van breukweerstand op nanoniveau." In dit geval, het betekent het identificeren van een materiaal dat alleen hecht met nanodeeltjes van cement en met niets anders in het cement. Er werden ongeveer tien negatief geladen peptidecombinaties geïdentificeerd die zowel aan materialen hechten als goed hechten.

In samenwerking met de Universiteit van Stuttgart, het team was in staat om een ​​ionenbundel onder een elektronenmicroscoop te gebruiken om een ​​staafvormige microstructuur uit het nanogestructureerde cement te snijden dat drie micrometer groot was. Deze microstructuur werd vervolgens gebogen met behulp van een micromanipulator. Zodra het werd uitgebracht, de microstructuur keerde terug naar zijn oorspronkelijke positie. Mechanische waarden konden worden berekend op basis van de elastische vervorming van de microstructuur. Op basis van deze berekeningen het geoptimaliseerde cement bereikte een waarde van 200 megapascal. Ter vergelijking:Mosselschelpen, die de gouden standaard zijn in breukvastheid, een waarde van 210 megapascal bereiken, die slechts iets hoger is. Het beton dat tegenwoordig veel wordt gebruikt, heeft een waarde van twee tot vijf megapascal.

Zie egelstekels en mosselschelpen zijn gemaakt van calciet, omdat er grote hoeveelheden calcium in water aanwezig zijn. Helmut Cölfen legt uit:"Mensen hebben veel betere bouwmaterialen dan calciet. Als we erin slagen de structuren van materialen te ontwerpen en de blauwdrukken van de natuur te reproduceren, we zullen ook veel meer breukbestendige materialen kunnen produceren - hoogwaardige materialen geïnspireerd door de natuur."