Piepkleine scheurtjes maken bros glas honderd keer zo sterk

Onderzoekers maken glas steviger door imitatie van schelpen en tanden.

Buigen of barsten? Het is een belangrijke kwestie in de materiaalkunde. Geïnspireerd door de natuur hebben onderzoekers van de McGill-universiteit in het Canadese Montréal een manier gevonden om bros glas sterker te maken door het – paradoxaal genoeg – plaatselijk te verzwakken (Nature Communications, 28 januari).

Sommige glas- of keramieksoorten zijn stijver dan staal, maar toch nauwelijks bruikbaar voor mechanische toepassingen. Want juist hun onbuigzaamheid maakt zulke materialen bros. Een minieme vervorming geeft zo veel mechanische spanning dat het materiaal breekt, zoals iedere ex-bezitter van porselein of glaswerk weet.

Pure mineralen als hydroxyapatiet en aragoniet, hoofdbestanddelen van tanden en botten respectievelijk schelpen, zijn ook bros en breekbaar. Toch zijn tandglazuur, been en parelmoer dat niet. Hun verhoogde taaiheid danken deze harde biologische materialen aan het netwerk van elastische biopolymeren waarin de micrometergrote mineraaldeeltjes ingebed liggen. Beginnende scheurtjes lopen dood of worden afgebogen in dit elastische voegwerk, dat het materiaal ook enige buigzaamheid verleent.

Om dit effect na te bootsen, verzwakten de Canadese onderzoekers borosilicaatglas van binnenuit met een ultraviolette laser. Het verhitte bolletje binnenin het glas veroorzaakt door uitzetting lokaal kleine scheurtjes. Met deze lokale verzwakkingen kan een grotere scheur voorgevormd worden, ongeveer zoals kleuters met een prikpen in karton prikken. Het resultaat was een stelsel van meanderende scheuren binnenin het glas. De meanders grepen in elkaar als puzzelstukjes.

Uit trekproeven bleek inderdaad dat het materiaal zo veel taaier wordt: vergeleken met gewoon glas nam het tot honderd keer meer trek-energie op voordat het brak. Dat breken gebeurde uiteindelijk doordat de meanders uit elkaar getrokken werden of afbraken. Ook was het glas opeens licht vervormbaar.

Helemaal realistisch was de biologisch geïnspireerde verzwakking overigens nog niet. De meanders zijn millimeters groot, veel groter dan de micrometergrote structuren binnen tanden, bot of schelpen. Parelmoer, dat zijn fraaie iriserende kleuren overigens aan deze structuren dankt, kan daardoor wel 3.000 keer taaier zijn dan aragoniet.