IJskristallen als basis voor sterk keramisch materiaal

Door slim gebruik te maken van de manier waarop ijskristallen groeien hebben materiaalkundigen van het Lawrence Berkeley National Laboratory in Californië keramiek sterker en taaier weten te maken. Ze deden dat naar het voorbeeld van een natuurlijk materiaal als paarlemoer. De methode biedt onder andere mogelijkheden voor het ontwikkelen van sterkere medische implantaten (Science, 27 jan). Keramische materialen - verbindingen van metalen met zuurstof of koolstof - zijn weliswaar sterk, maar ook erg bros: van een stuk keramiek dat op de grond valt, breken heel makkelijk stukken af. Dat komt omdat ze niet goed in staat zijn om plotselinge schokken te absorberen. Natuurlijke keramische materialen kunnen dat wel dank zij hun speciale microscopische structuur. De schelpen van sommige weekdieren zijn bijvoorbeeld van binnen bekleed met paarlemoer dat is opgebouwd uit talloze dunne laagjes die met eiwitten aan elkaar gekit zijn. Hoewel het paarlemoer voor 99% bestaat uit calciumcarbonaat is het vele malen sterker dan het zuivere mineraal.

Deze laagjesstructuur van paarlemoer is met keramisch materiaal nagebootst door Amerikaanse wetenschappers. FOTO SCIENCE

Sylvain Deville en zijn collega's zijn er nu in geslaagd om die laagjesstructuur op een simpele manier na te bootsen. Ze maken daarbij gebruik van het feit dat ijskristallen onder bepaalde omstandigheden in laagjes groeien. Deville en zijn collega's gingen uit van een mengsel van poedervormig keramiek in water en koelden dat af. Tijdens het vastvriezen van de het water hopen de keramische poederdeeltjes zich op tussen de groeiende ijslaagjes in. Door de ijskristallen sneller of langzamer te laten groeien, bleek het bovendien mogelijk de dikte van de laagjes te veranderen. Na afloop wordt het ijs verwijderd door het geheel te vriesdrogen, waarna in het keramische materiaal een negatieve afdruk achterblijft van de oorspronkelijke ijsstructuur. Injectie van een flexibele hars zorgt vervolgens voor samenhang tussen de laagjes. Het zo verkregen composietmateriaal is veel sterker en vooral taaier dan op de klassieke manier bereid keramiek, dat gemaakt wordt door een fijn poeder in een mal te persen, en de poederdeeltjes onder hoge druk en temperatuur met elkaar te laten verkleven. De onderzoekers zien met name goede mogelijkheden voor het ontwikkelen van implantaten. Om te kunnen vergroeien met natuurlijk botmateriaal moeten die poreus zijn, maar daardoor zijn tegelijkertijd ook erg zwak. Volgens Deville is het echter de mogelijk om met behulp van zijn ijsmethode tot vier keer sterkere kunstbotten te maken.

Rob van den Berg