Nieuwe synthetische materialen uit de natuur

De basis van natuurlijke materialen met uitzonderlijke eigenschappen is eigenlijk allesbehalve complex. De hoeveelheid bouwblokken is vaak beperkt, en de blokken zelf heel simpel. Maar het opbouwen gebeurt met een enorme precisie; kristalvorming en de hiërarchische structuur worden van nanometer tot millimeterschaal gecontroleerd. Veel van deze natuurlijke materialen zijn bovendien hybride, ze bestaan uit een organisch en anorganisch deel.

Het organische deel heeft hierbij vaak een hiërarchische structuur en wordt gemineraliseerd met het anorganische deel. Juist deze wisselwerking leidt tot uitzonderlijke materiaaleigenschappen. Zo is calciumfosfaat sterk maar tegelijkertijd bros, terwijl mineralisatie met een collageenmatrix - zoals in bot - een veel sterker materiaal oplevert.

Uitdaging

Mark van Rijt werkte aan het inbouwen van zinkoxide in een organische matrix om zo mogelijk nieuwe materialen met hoogwaardige eigenschappen te ontwikkelen. Omdat de temperatuur waarbij zinkoxide gevormd wordt te hoog is voor de meeste organische matrices, lag hier meteen een uitdaging. Van Rijt bekeek daarom of zinkoxide ook gevormd kon worden op groeicondities die wel geschikt zijn voor een organische matrix.

Met hightech cryo-elektronenmicroscopische technieken bekeek hij in detail de vorming van zinkoxide onder normale condities en hij gebruikte vervolgens deze resultaten voor de ontwikkeling van een nieuwe synthese-strategie. Door deze verder aan te passen kon hij uiteindelijk ook rond 40 °C zinkoxide laten vormen, waardoor deze nieuwe methode de basis kan vormen voor het groeien van zinkoxide in gevoelige organische matrices.

INSPIREREN DOOR DE NATUUR

Bernette Oosterlaken gebruikte verschillende organische matrices om te bestuderen hoe een ander mineraal, magnetiet, zich vormt. Magnetiet, een ijzeroxide, heeft van alle natuurlijke mineralen de sterkste verzadigingsmagnetisatie, wat leidt tot magnetische eigenschappen. Deze magnetische eigenschappen hangen sterk af van de grootte en vorm van de magnetietkristallen. Dus, door de vorm en grootte  van de kristallen te veranderen, kunnende magnetische eigenschappen gestuurd worden.

Oosterlaken liet zich inspireren door de natuur en ging aan de slag om een organische matrix te ontwikkelen waarop ze zelf de kristalvorming kon beïnvloeden. Uiteindelijk slaagde ze erin om aan de hand van diverse spectroscopische en elektronenmicroscopische  technieken met succes een collageenmatrix met ijzeroxide te laten mineraliseren.

Nu er door het onderzoek van Van Rijt en Oosterlaken meer bekend is geworden over hoe mineralen zich gedragen op en in matrices, is ook de ontwikkeling van nieuwe natuur-geïnspireerde synthetische materialen weer een stap dichterbij.

Bernette Oosterlaken verdedigde haar proefschrift getiteld 'Iron Oxide Mineralization in Confinement' op 8 juni. Mark van Rijt promoveert op 10 juni, op zijn proefschrift getiteld 'Connecting ZnO to Organic Templates'. Beiden werden begeleid door Bert de With en Heiner Friedrich.