Depuis le début de l'humanité, nous développons et améliorons des matériaux avec des propriétés matérielles meilleures et plus optimisées. En comprenant comment sont fabriqués les matériaux naturels, il faut pouvoir les imiter et les modifier. Et c'est exactement ce que Mark van Rijt et Bernette Oosterlaken (génie chimique et chimie) ont fait, les deux sous un angle différent.

Pour construire des matériaux aux propriétés réglées exceptionnelles, la nature utilise une gamme relativement restreinte de blocs de construction communs et ordinaires. Ces blocs de construction communs sont incorporés avec à la fois un contrôle élevé sur la morphologie cristalline et un contrôle hiérarchique sur leur structure, de l'échelle nanométrique à l'échelle millimétrique. Beaucoup de ces matériaux sont hybrides et sont composés d'une partie organique et d'une partie inorganique.

Souvent, la partie organique s'assemble en une structure hiérarchique définie et se minéralise avec la partie inorganique. L'interaction entre ces matériaux conduit à des propriétés extraordinaires. Par exemple, le phosphate de calcium est fort mais cassant, mais lorsqu'il est minéralisé dans une matrice de collagène, comme dans l'os, le matériau final présente une résistance et une ténacité considérables.

Nouvelle stratégie de synthèse

Mark van Rijt a étudié l'incorporation d'oxyde de zinc (ZnO) dans des matrices organiques. De cette façon un nouveau matériau avec, avec un peu de chance, de nouvelles propriétés haut de gamme devraient être disponibles. Cependant, Le ZnO est généralement formé à une température à laquelle un modèle organique ne peut pas survivre. D'où, des méthodes alternatives sont recherchées, notamment la formation directe de ZnO à l'intérieur d'un modèle organique. Pour cela, il est vital que le ZnO puisse d'abord être synthétisé dans des conditions favorables au modèle.

Van Rijt a donc développé une nouvelle stratégie de synthèse après avoir utilisé des expériences d'échantillonnage de microscopie électronique à transmission cryogénique (CryoTEM) pour étudier en détail la formation d'une stratégie commune de formation de ZnO dans l'eau au fil du temps. Après optimisation, cette stratégie de synthèse hautement contrôlée permet la formation de ZnO à des températures aussi basses que ~ 40 °C et peut donc désormais servir de base à la minéralisation en ZnO de matrices organiques sensibles.

Inspiration de la nature

Bernette Oosterlaken a travaillé avec différents modèles organiques pour étudier la formation d'un minéral différent, magnétite. Cet oxyde de fer a la magnétisation de saturation la plus élevée de tous les minéraux naturels, conduisant à des propriétés magnétiques. Son comportement magnétique dépend fortement de la taille et de la forme du cristal et, en tant que tel, en contrôlant l'habitude cristalline, son comportement magnétique peut être réglé.

S'inspirer de la nature, où un contrôle élevé de la taille et de la forme des cristaux est obtenu même à température ambiante et dans des milieux aqueux, Oosterlaken visait un contrôle similaire sur l'habitude cristalline en fournissant un modèle organique pour la formation d'oxyde de fer. Après des techniques résolues en temps et in situ, combiné avec des techniques spectroscopiques, Oosterlaken a réussi à minéraliser l'un des modèles sélectionnés, collagène, avec des oxydes de fer.

Les recherches de van Rijt et Oosterlaken ont donné un premier aperçu des facteurs à l'origine de la formation de minéraux à l'intérieur des gabarits, et donc une toute première étape dans la conception de nouveaux matériaux synthétiques à base naturelle.