En maiblomst av mineraler

Komplekse former kan dyrkes kjemisk, med god kontroll.
17.5 2013 05:00


Forskere fra Harvard University har klart å kontrollere hvordan mineraler utfelles i en løsning. Slik kan de lage ørsmå komplekse strukturer, blant annet denne blomsterformen. Den er i størrelsesorden 1/20 millimeter.

Mineralblomsten viser en metode for å dyrke fram sammensatte strukturer nedenfra, molekyl for molekyl.

Slike strukturer blir mye mer presise og komplekse enn om de skulle lages på vanlig vis, for eksempel ved støping, utfresing eller etsing.

Presis kontroll

Forskerne fra Harvard University har i første omgang laget vakre former som ligner blomster og sopper.

De begynner med forholdsvis enkle grunnprosesser. Så lar de dem spille sammen. Resultatet blir stadig mer komplekst og sammensatt.

En slik kontroll kan blant annet brukes til å lage elektronikk, optikk og nye bygningsmaterialer, ifølge fagartikkelen i tidsskriftet Science.

Hemmer og fremmer

Utgangspunktet for prosessen er kjemiske stoffer som reagerer med karbondioksid i en vannløsning. Det dannes to forskjellige mineraler, bariumkarbonat og kvarts.

Enkelt sagt er bariumkarbonat det aktive mineralet. Det vokser fram, molekyl for molekyl.

Kvartsen er derimot rene festbremsen. Kvartsen hemmer veksten av mineraler.  Samspillet mellom vekst og hemming gir de komplekse formene.

Styrer med surhet

Dette samspillet har forskerne nå lært seg å styre. Det viktigste verktøyet de bruker, er å regulere hvor sur løsningen er.

Festbremsen kvarts er nemlig kresen. Den trives bare rundt en bestemt surhet, grønt på figuren.


Den første metoden som beskrevet i teksten: Rundt bariumkarbonatet (grå kuler) blir det surere, slik at kvartsen vokser og virker hemmende. Bariumkarbonatet vokser vekk fra seg selv, mot resten av løsningen rundt.

Dette kan utnyttes på to måter. Den første er å gjøre løsningen for lite sur for den hemmende kvartsen.

Da vokser bariumkarbonat fram. Kvartsen holder seg unna.Samtidig skjer det noe.

De kjemiske reaksjonene har en bieffekt. Det blir surere rundt bariumkarbonatet, surt nok til at det dannes kvarts. Festbremsen kommer og ødelegger veksten.

Vil vekk fra egen surhet

Bariumkarbonatet gjør som enhver festdeltaker: Prøver å unnslippe festbremsen kvarts.  Det vokser vekk fra det sure området rundt seg selv, der kvartsen trives.

Det vokser altså ut mot løsningen omkring, vekk fra seg selv. Resultatet er blant annet staver og trakter. (Se figuren over!)

Oppsøker egen surhet


Den andre metoden som beskrevet i teksten: Løsningen har akkurat den surheten som kvarts trives i. Rundt bariumkarbonatet (grå kuler) blir det enda surere, for surt for kvartsen. Bariumkarbonatet vokser derfor inn mot seg selv, og krøker seg inn i blant annet spiraler.

Motsetningen mellom bariumkarbonat og kvarts kan også utnyttes på en annen måte.

Forskerne kan lage løsningen rundt akkurat så sur at kvartsen trives. Hva skal bariumkarbonatet gjøre? Det er omgitt av festbremsen kvarts på alle kanter.

Akkurat som tidligere, gjør bariumkarbonatet tilværelsen sur for seg selv.

Men denne gangen er surheten en fordel. Det blir for surt for kvartsen i området rundt bariumkarbonatet.

Bariumkarbonatet krøker seg tilbake inn mot sin egen surhet. Der er det fritt for kvarts. Denne positive tilbakekoblingen gir spiraler og andre mer komplekse former.

Enda mer komplekst


Nyformede mineralkronblader felles ut når vannet festes til de underliggende grønne stilkene. Elektronmikroskopiet er kunstig fargelagt, men med samme farger som de avbildede materialene.

Forskerne har også regulert surheten i løsningen opp og ned mens bariumkabonatet dannes.

Slik har de kunnet veksle mellom utovervekst og innovervekst, og lage enda mer sammensatt kompleksitet.

De har også klart å endre tykkelsen på stilkene og veggene i kronbladene til mineralblomstene ved å øke tilførselen av karbondioksid.

Hvis veggene blir tykke nok, deler blader og stilker seg. Også saltinnhold og temperatur på løsningen kan brukes til å påvirke prosessen.

Bygger nedenfra

Denne metoden viser hvordan nye nanomaterialer kan bygges opp nedenfra.  De komplekse strukturene kan gi nanomaterialene helt nye egenskaper.

Dette kalles metamaterialer. De kan blant annet gjøres usynlige, eller brukes til linser med mye høyere oppløsning enn vanlige linser.

Nanomaterialer kan også brukes til å bygge svært små strukturer. Dette er nyttig blant annet i elektronikk og medisin.


Forskerne startet med en rød korallstruktur av mineraler. Så fikk de stilkene til å gro ut fra gropene i korallen. Stilkene utvidet seg, og dannet kronblader etter en plutselig og kortvarig puls av mer karbondioksid i løsningen.

Referanse:

Wim L. Noorduin et.al: Rationally Designed Complex, Hierarchical Microarchitectures, Science, 17. mai 2013, vol 340

forskning.no ønsker en åpen og saklig debatt. Vi forbeholder oss retten til å fjerne innlegg. Du må bruke ditt fulle navn. Vis regler

Regler for leserkommentarer på forskning.no:

  1. Diskuter sak, ikke person. Det er ikke tillatt å trakassere navngitte personer eller andre debattanter.
  2. Rasistiske og andre diskriminerende innlegg vil bli fjernet.
  3. Vi anbefaler at du skriver kort.
  4. forskning.no har redaktøraransvar for alt som publiseres, men den enkelte kommentator er også personlig ansvarlig for innholdet i innlegget.
  5. Publisering av opphavsrettsbeskyttet materiale er ikke tillatt. Du kan sitere korte utdrag av andre tekster eller artikler, men husk kildehenvisning.
  6. Alle innlegg blir kontrollert etter at de er lagt inn.
  7. Du kan selv melde inn innlegg som du mener er upassende.
  8. Du må bruke fullt navn. Anonyme innlegg vil bli slettet.