Weinig door de natuur gesmeed composietmateriaal is zo sterk als parelmoer, oftewel nacre. Wetenschappers zijn er nu eindelijk achter hoe de minuscule laagjes van deze parelmoerachtige substantie deze zo sterk maken.
De buitenste lagen van parels en de binnenkant van sommige schelpen van weekdieren bevatten parelmoer, maar tot nu toe begrepen wetenschappers niet echt hoe dit op nanoschaal werkt, omdat deze coating zeer goed bestand is tegen stress en spanning.
Het geheim van de taaiheid van parelmoer zit in de manier waarop het betegelde oppervlak van het materiaal samenklontert wanneer er druk op wordt uitgeoefend, waardoor het de druk kan verdelen. Wanneer het oppervlak niet langer onder druk staat, ontspant het zich weer tot afzonderlijke tegels.
Dat zou ons weer kunnen helpen om zelf supersterke materialen te ontwikkelen, waarbij we ons laten inspireren door de beste materialen die de natuur te bieden heeft.
“Het is ongelooflijk dat een weekdier, dat niet het meest intelligente wezen is, zoveel structuren op zoveel schalen kan fabriceren,” zegt materiaalwetenschapper Robert Hovden van de Universiteit van Michigan.
“Het fabriceert individuele moleculen van calciumcarbonaat, rangschikt ze in nano-gelaagde vellen die aan elkaar worden gelijmd met organisch materiaal, helemaal tot aan de structuur van de schelp, die nacre combineert met verschillende andere materialen.”
In eerder werk hadden wetenschappers reeds de ‘baksteen-en-mortel’-structuur van nacre geïdentificeerd – nano-grote tabletten van aragoniet aan elkaar gelijmd met organisch materiaal, die er net uitzien als een bakstenen muur als je dichtbij genoeg komt.
Wat dit nieuwe onderzoek laat zien is die reactie onder druk, verkregen door elektronenmicroscoop waarnemingen. De ‘specie’ plet opzij onder druk, en keert dan terug wanneer de druk wordt opgeheven.
Verrassend, en ongebruikelijk, is dat de parelmoer geen van zijn weerstand verliest door dit proces. Tests toonden aan dat de veerkracht niet afnam, zelfs niet bij herhaalde schokken tot 80 procent van de vloeigrens.
Als het oppervlak een scheur ontwikkelt, is parelmoer in staat om het nano-tablet waar de scheur ontstaat te isoleren, zodat het de rest van het oppervlak niet aantast.
In de persverklaring noemen de onderzoekers parelmoer “het taaiste materiaal van de natuur”. Natuurlijk, dat hangt echt af van hoe je wilt gaan over het meten van genoemde ’taaiheid’; bijvoorbeeld, op de schaal van Mohs van hardheid, parel krijgt de vrij bescheiden rating van ongeveer 2,5, maar dat betekent gewoon dat het kan gemakkelijk worden bekrast met een hardere minerale.
Als we het hebben over de sterkte van een materiaal, zijn er andere aspecten – hoeveel gewicht een materiaal kan dragen, hoeveel druk het kan weerstaan, enzovoort – van tanden van een kalkoen tot spinnenzijde, er zijn andere natuurlijk voorkomende materialen die immens sterk zijn; parelmoer kan echt indrukwekkende mechanische schokken doorstaan, vandaar dat het zijn reputatie voor taaiheid verdient.
Nu willen de wetenschappers achter de studie hun bevindingen gebruiken om sterkere door de mens gemaakte materialen te ontwikkelen – niet berekend door computersimulaties of algoritmen, maar geïnspireerd door miljoenen jaren van natuurlijke evolutie.
“Wij mensen kunnen taaiere materialen maken met behulp van onnatuurlijke omgevingen, bijvoorbeeld extreme hitte en druk,” zegt Hovden. “Maar we kunnen het soort nano-engineering dat weekdieren hebben bereikt, niet repliceren.”
“Het combineren van de twee benaderingen zou kunnen leiden tot een spectaculaire nieuwe generatie materialen, en dit artikel is een stap in die richting.”
Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications.