Dall'inizio dell'umanità stiamo sviluppando e migliorando materiali con proprietà dei materiali migliori e più ottimizzate. Comprendendo come sono fatti i materiali naturali, si dovrebbe essere in grado di imitarli e modificarli. Ed è esattamente quello che hanno fatto Mark van Rijt e Bernette Oosterlaken (Ingegneria chimica e chimica), entrambi da una prospettiva diversa.

Per costruire materiali con proprietà accordate eccezionali, la natura utilizza una gamma relativamente piccola di elementi costitutivi comuni e ordinari. Questi elementi costitutivi comuni sono incorporati sia con un alto controllo sulla morfologia dei cristalli sia con un controllo gerarchico sulla loro struttura, dalla scala nanometrica alla scala millimetrica. Molti di questi materiali sono ibridi e sono composti da una parte organica e una inorganica.

Spesso, la parte organica si assembla in una struttura gerarchica definita e viene mineralizzata con la parte inorganica. L'interazione tra questi materiali porta a proprietà straordinarie. Per esempio, il fosfato di calcio è forte ma fragile, ma quando mineralizzato in una matrice di collagene, come nelle ossa, il materiale finale mostra resistenza e notevole tenacità.

Nuova strategia di sintesi

Mark van Rijt ha studiato l'incorporazione dell'ossido di zinco (ZnO) nei modelli organici. In questo modo un nuovo materiale con, auspicabilmente, nuove proprietà di fascia alta dovrebbero essere ottenibili. Però, ZnO è tipicamente formato a una temperatura che un modello organico non può sopravvivere. Quindi, si cercano metodi alternativi che includano la formazione diretta di ZnO all'interno di un modello organico. Per questo è fondamentale che lo ZnO possa essere prima sintetizzato in condizioni favorevoli al modello.

Van Rijt ha quindi sviluppato una nuova strategia di sintesi dopo aver utilizzato esperimenti di campionamento avanzati di microscopia elettronica a trasmissione criogenica (CryoTEM) per studiare in dettaglio la formazione di una strategia comune di formazione di ZnO nell'acqua nel tempo. Dopo l'ottimizzazione, questa strategia di sintesi altamente controllata consente la formazione di ZnO a temperature fino a ~ 40 ° C e può quindi fungere da base per la mineralizzazione di ZnO di modelli organici sensibili.

Ispirazione dalla natura

Bernette Oosterlaken ha lavorato con diversi modelli organici per studiare la formazione di un minerale diverso, magnetite. Questo ossido di ferro ha la più alta magnetizzazione di saturazione di tutti i minerali naturali, portando a proprietà magnetiche. Il suo comportamento magnetico dipende fortemente dalla dimensione e dalla forma del cristallo e come tale, controllando l'abito cristallino, il suo comportamento magnetico può essere sintonizzato.

Trovando ispirazione dalla natura, dove si ottiene un elevato controllo sulla dimensione e sulla forma dei cristalli anche a temperatura ambiente e in mezzi acquosi, Oosterlaken mirava a un controllo simile sull'abito cristallino fornendo uno stampo organico per la formazione di ossido di ferro. Dopo tecniche risolte nel tempo e in situ, combinato con tecniche spettroscopiche, Oosterlaken è riuscito a mineralizzare con successo uno dei modelli selezionati, collagene, con ossidi di ferro.

La ricerca di van Rijt e Oosterlaken ha fornito una prima visione dei fattori che guidano la formazione di minerali all'interno dei modelli, e quindi un primissimo passo nella progettazione di nuovi materiali sintetici a base naturale.