Hiërarchische materialen: complex bouwen met simpele stenen

Botten, bamboe, honingraat. In de natuur om ons heen zijn genoeg voorbeelden te vinden van materialen met een sterk geordende intrinsieke structuur. De complexe structuur van deze zogenoemde hiërarchische materialen zorgt voor bepaalde fysische eigenschappen die normaliter niet zomaar voorkomen. Aan de hand van legoblokjes op nanoschaal onderzocht TU/e onderzoeker Egemen Deniz Eren hoe synthetische hiërarchische materialen zich opbouwen en legde hiermee ook de verschillende hiërarchieniveaus van natuurlijke materialen bloot.

Hiërarchie, gedefinieerd als een manier om personen, objecten of gegevens te ordenen volgens asymmetrische relaties, speelt op verschillende vlakken een grote rol in ons dagelijkse leven. De natuur verschaft ons veel informatie over de opbouw van hiërarchische materialen, wat wetenschappers al eeuwenlang inspireert.

Hiërarchische materialen, zowel synthetisch als natuurlijk, zijn op diverse niveaus - multiscale - geordend. Ze bestaan daardoor uit verschillende architectonische structuren met verschillende lengteschalen.  Elk level kan je daarbij zien als een zelforganiserende individuele bouwsteen. De complexe structuur die zo ontstaat resulteert in bepaalde fysische eigenschappen die anders niet zomaar zouden voorkomen.  In de natuur vinden we veel interessante voorbeelden van hiërarchische materialen, zoals botweefsel, bamboe en honingraat. Zo bestaat bot, een samengesteld biomateriaal, uit anorganische hydroxyapatite-mineralen en organische collageeneiwitten. Deze bouwstenen zijn zodanig hiërarchisch geordend dat ze zowel stevigheid, kracht als flexibiliteit, stabiliteit en bescherming bieden.

De opbouw van de meeste natuurlijke en synthetische hiërarchische materialen vindt plaats in een waterige omgeving. Kenmerk van biologische hiërarchische materialen is de zogenoemde bottom-up self-assembly, vergelijkbaar met het bouwen van een ingewikkeld bouwwerk met losse lego-steentjes. Door deze natuurlijke manier van opbouwen te bestuderen, kunnen we zelf complexe materialen ontwikkelen die uit relatief eenvoudige bouwstenen bestaan.

Omdat de natuurlijke en synthetische materialen in een driedimensionale structuur zijn opgebouwd, geven standaard 2-D microscooptechnieken niet voldoende informatie. Eren gebruikte daarom hightech elektronenmicroscopische technieken om de hiërarchische opbouw in detail te bestuderen. Volgens hem zijn deze geavanceerde technieken te vergelijken met de rol van satellieten die door ruimtevaartorganisaties in een baan rond de aarde worden gebracht. “Dankzij Google Earth kun je vanuit je luie stoel het Colosseum bekijken, steen voor steen, of juist in z’n geheel. Zo gebruiken wij ook de elektronenmicroscopie om nieuwe inzichten te verkrijgen over minuscule complexe structuren.”

Vervolgens ging Eren aan de slag met legoblokjes op nanoschaal en maakte hij uiteindelijk zelf een hiërarchisch geordende materiaal gebaseerd op silica, volgens de natuurlijke bottom-up self-assembly manier. Deze inzichten nam hij mee in zijn vervolgonderzoek, waarbij hij botveranderingen bij bepaalde ziektebeelden bestudeerde en een duidelijke relatie vond tussen verandering op genetisch niveau en structurele veranderingen op botmateriaalniveau. Zijn onderzoek draagt sterk bij aan het begrijpen van de complexe opbouw van hiërarchische materialen, waardoor er in de toekomst nog geavanceerdere nieuwe materialen ontwikkeld kunnen worden, aangepast aan hun functie.

Titel van het proefschrift: Exploring the multiscale hierarchy of natural and synthetic materials. Begeleider: prof.dr. Gijsbertus de With, TU/e.