Propojením na mikroskopické úrovni dvou a více materiálů s výrazně odlišnými vlastnostmi získáme kompozit s novými vlastnostmi, které nemá žádná z jeho součástí. Např. sklolaminát i železobeton jsou odolnější než jejich složky, po řadě skelná vlákna a plast, ocelové pruty a beton. Kompozity najdeme i v přírodě. Perleť nebo schránky řady živočichů vznikají z uhličitanu vápenatého CaCO3 a molekul bílkovin.
Kompozitní materiály našeho těla, kosti, tvoří vnitřek zubuzubovina (dentin)? a sklovina tvořené hydroxyapatitem Ca5(PO5)3(OH) a bílkovinou inspirovali vznik nového anorganicko-organického kompozitu. Jeho pevnost přesahuje kost i dentin. Základem je kostra z laboratorně připraveného proteinu, doplněná nanokrystalky fluoroapatitu Ca5F(PO5)3. Pokud si zuby čistíme fluoridovanou zubní pastou, je fluoroapatit součástí skloviny. Použitou bílkovinu tvoří tři základní části, jednak hydrofobní podpůrná struktura, jednak kladně nabitý úsek kvůli prostorovému zesíťování (cross-linking) pomocí hexamethyldiisokyanátu OCN(CH2)6NCO. Usazování nanokrystalů fluoroapatitu z roztoku (mineralizaci) vyvolají silně kyselé konce molekuly. Vzniknou kruhové útvary o průměru 100 mikrometrů, tzv.sferule, které na těsno naskládané vytvoří výsledný kompozit. Na řezech skrze sferulu pořízených rastrovacím elektronovým mikroskopem a poskládaných za sebou do podoby videa rozeznáme jednotlivé krystalky fluoroapatitu.
Kompozit lze vypěstovat přímo na sklovině, i když zatím její kvality nedosahuje. Modul pružnosti v tahu i tvrdost má zhruba poloviční. Porovnání struktury skloviny (vlevo) a nového materiálu (vpravo) vidíme na snímcích rastrovacího elektronového mikroskopu (angl. scanning electron microscop - SEM) se škálou velikostí úplně vlevo. Délka černých úseček na jednotlivých obrázcích je a, b 200 nanometrů; c, d 1 mikrometr; e, f 20 mikrometrů.
Konkrétně v číslech je modul pružnosti v tahu neboli Youngův modul (Young’s modulus) nového materiálu až 33 GPa a tvrdost (hardness) 1,1 GPa. Stejné hodnoty u kostí činí po řadě 22,5 GPa a 0,5 GPa a u zuboviny 19,4 GPa a 0,5 GPa. Youngův modul nazýváme poměr napětí a vyvolané deformace. U konstrukční oceli je přibližně 210 GPa. Tvrdost vyjadřuje odpor proti vnikání zkušebního tělesa do materiálu. Změnou podmínek přípravy kompozitního ovlivníme hustotu nanokrystalků fluoroapatitu, a tudíž i mechanické vlastnosti.
akademon.cz 27.4.2018: Grafen zpevní beton
akademon.cz 25.7.2015: Zajímavý kompozitní materiál
akademon.cz 2.3.2015: Nejpevnější přírodní materiál
