Мать жемчуга - именно так с немецкого можно перевести слово "перламутр". Этот красивый природный материал вдохновляет не только ювелиров на создание чудесных украшений, но и химиков, которые хотят во что бы то ни стало воссоздать уникальные свойства вещества в лаборатории. Медленно приближаясь к своей цели, они уже добились значительных результатов.

Роберту Ритчи и его коллегам из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (LBNL), решившим воспроизвести перламутр - один из самых красивых и прочных материалов планеты, - удалось создать керамический материал, обладающий прочностью в 300 раз большей, чем у его составляющих. Для этого ученые взяли на вооружение биомимикрию - молодую науку, позволяющую создавать искусственные материалы, способы и методы, повторяющие творения природы.

Те, кто хоть однажды пытался сломать раковины мидий и прочих моллюсков, знают, как не просто это сделать, даже несмотря на то что толщина стенок подчас минимальна.

Именно перламутр дает моллюскам такую крепкую природную защиту. Его состав это 95% минерала арагонита (кристаллы твердого, но легко ломающегося CaCO3) и мягкие органические молекулы. Сам же перламутр почти в три тысячи раз менее хрупкий, нежели арагонит.

Над тайнами перламутра ученые бьются уже давно, и многие любопытные детали строения данного материала уже раскрыты.

В ходе исследований химики выяснили, что высокая прочность перламутра определяется его структурой. Именно ее авторы работы и попытались воссоздать.

Для этого они провели контролируемое замораживание водной суспензии оксида алюминия (глинозема) с добавкой достаточно распространенного полимера полиметилметакрилата (ПММА).

О своих достижениях исследователи отчитались в журнале Science.

Основой их открытия стала работа двухгодичной давности, выполненная другими исследователями из Беркли: Эдуардо Сейзом и Энтони Томсиа. Тогда ученые обнаружили, что можно создать весьма прочную искусственную замену человеческой кости, замораживая морскую воду.

В этот раз химики сначала тоже заморозили воду, но для того чтобы создать матрицу, которая стала основой для получения каркаса из пластин (ламелей) глинозема (он занял поры, не заполненные льдом). Затем лед был удален выпариванием, и на его место был введен полимер.

Прочность материала определяется его способностью рассеивать энергию деформации. В данном случае полимер между пластинками оксида алюминия позволяет им "скользить" относительно друг друга и тем самым распределять нагрузку, точно так же, как это делают белковые структуры в раковинах моллюсков.

Но химики смогли не только создать пластинчатый каркас. Они получили возможность влиять на толщину пластин, их макроскопическую ориентацию, химию и шероховатость границ раздела ламелей. Сжимая каркас перпендикулярно слоям во время спекания, они также получили "кирпичики" оксида алюминия, добились формирования и уплотнения керамических мостиков между ними. Возможность варьирования всех этих параметров позволит в будущем получить материалы с другими свойствами, и велика вероятность - среди них найдутся те, что будут даже лучше нынешних.

"Мы попытались сымитировать природные механизмы упрочнения, заставив частички глинозема выстраиваться в иерархические структуры, - рассказывает Ритчи в пресс-релизе лаборатории. - В будущем мы надеемся, что исследование уже полученных композитов позволит улучшить синтез легких небиологических материалов с уникальной твердостью и прочностью".

В дальнейшем химики намерены получить материалы с еще большей прочностью. Они надеются добиться новых впечатляющих результатов, изменив соотношение оксид алюминия/ПММА в сторону увеличения содержания керамики, заменив полимер на другой, и даже заместив весь полимер металлом.

Ученые из Беркли считают, что металл не только позволит пластинкам сдвигаться относительно друг друга (при таких размерах это вполне осуществимо), но и примет на себя часть нагрузки. К тому же в отличие от полимера он может работать при высоких температурах.

Результатом станет легкий и прочный композитный материал, которому всегда найдется применение как в энергетической, так и в транспортной отрасли, уверены исследователи. Достаточно привести простой пример: многие детали автомобиля, выполненные из такого композита, будут весить значительно меньше стальных, что позитивно скажется на расходе топлива.

Впрочем, до того как задумка станет реальностью (позволяющей получить выгоду производителям), надо будет не только усовершенствовать сам материал, но и организовать его массовое производство. Об этом сообщает MEMBRANA.