I materiali naturali hanno proprietà meccaniche straordinarie, che si basano su sofisticate disposizioni e combinazioni di più elementi costitutivi. Un aspetto chiave dell'odierna ricerca sui materiali è quindi lo sviluppo di materiali di ispirazione biologica che raggiungano le proprietà dei materiali naturali o addirittura superino quelle in determinate funzionalità. Il gruppo Walther di DWI ha ora preparato un nanocomposito ispirato alla madreperla che combina proprietà meccaniche eccezionali con una trasparenza simile al vetro e un'elevata barriera ai gas e al fuoco ( Comunicazioni sulla natura , 2015).

La struttura della madreperla ricorda un muro di mattoni su scala microscopica:piastrine di carbonato di calcio ("mattoni") si alternano a strati morbidi di biopolimero ("malta"). Mentre le piastrine solide fungono da parte portante e di rinforzo, l'energia può essere dissipata nei segmenti di polimero morbido. Insieme, ciò si traduce in un materiale leggero che è considerato il gold standard dei materiali naturali poiché è sia notevolmente rigido che resistente, una combinazione di caratteristiche che è difficile realizzare nei materiali sintetici. Approcci precedenti per sintetizzare nacre-mimetici non erano fattibili su larga scala a causa di procedure multistep laboriose e ad alta intensità energetica. Anche, non è stato possibile sintetizzare pellicole e lamine madreperla-mimetiche trasparenti.

Andreas Walther e il suo team hanno deciso di utilizzare nanoargille sintetiche per i loro materiali nacre-mimetici. Ciò ha notevolmente migliorato la trasparenza del materiale. Il gruppo di ricerca con sede ad Aquisgrana ha anche perfezionato la procedura di preparazione sottostante:"Le cozze coltivano la madreperla in un lungo processo. Per i nostri nanocompositi, applichiamo invece un rapido processo di autoassemblaggio, " spiega il chimico. In primo luogo, i ricercatori rivestono le argille con uno strato di alcol polivinilico ("malta sul mattone") e successivamente, queste particelle nucleo/guscio si autoassemblano in una pellicola sottile dopo la rimozione dell'acqua. L'intera procedura richiede meno di 24 ore.

Per saperne di più su come le dimensioni delle nanoargille influenzano le caratteristiche del nanocomposito risultante, Walther e colleghi hanno confrontato nanopiastrine di diverse dimensioni. "Le madreperla-mimetiche a base di argille piccole sono molto dure. Tuttavia, se usiamo argille grandi con un allungamento di 3500, i risultanti mimetici di madreperla sono estremamente rigidi e resistenti. Le loro proprietà meccaniche si avvicinano effettivamente a quelle dei compositi in fibra, che sono molto più laboriosi da preparare, " afferma la dottoranda Paramita Das. La trasparenza simile al vetro e l'elevata barriera ai gas del nanocomposito sono un ulteriore vantaggio del materiale.

Questa eccezionale combinazione di caratteristiche rende il materiale nacre-mimetico un candidato promettente per applicazioni future, non solo come materiale strutturale, ma anche per applicazioni di stoccaggio di gas e imballaggi alimentari. Inoltre, può essere utilizzato come substrato avanzato e per l'incapsulamento di componenti elettronici organici sensibili all'ossigeno in display flessibili.