De glanzende binnenkant van een mosselschelp is niet alleen mooi om te zien, maar bovendien een moeilijk te ontrafelen mysterie der natuur. Vele generaties chemici trachtten het relatief sterke materiaal al na te maken. Student Scheikundige Technologie Paul Smeets draagt er zijn eigen steentje bij.

“Het parelmoer van mosselschelpen is een metselwerk van aragonietkristallen”, zegt Smeets, “een mineraalfase van calciumcarbonaat. De mosselschelp bevat bovendien een organische component, een matrix waarop de kristallen zich kunnen oriënteren. Door die matrix is het materiaal vele malen sterker: het kan drieduizend keer zoveel energie opnemen, voordat het breekt.”

Scheikundigen zijn al decennialang geboeid door deze bijzondere materiaaleigenschappen. Ze zijn typisch voor de combinatie van harde mineralen met een zacht organisch materiaal. In de natuur komen dergelijke materialen veel voor. Ze ontstaan door biomineralisatie, wat inhoudt dat organismen als bacteriën en planten de mineralen vormen zonder dat ze er erg in hebben.

“Onderzoekers proberen de materialen nu vooral via ‘trial and error’ na te maken. Het zou fantastisch zijn als we het maakproces echt konden beheersen”, zegt Paul Smeets enthousiast.

Calciumcarbonaat is het meest in de natuur voorkomende biomineraal. De kristallisatie ervan vindt plaats onder invloed van biomoleculen. Dat zijn organische moleculen die het calciumcarbonaat aan zich binden, waarna er uiteindelijk een vast rooster ontstaat. Dat gebeurt echter niet van het ene op het andere moment.

“Eerst wordt er een amorfe fase gevormd”, legt Smeets uit. “Amorfe deeltjes klonteren samen en worden steeds groter, totdat ze een kritieke omvang hebben bereikt. Pas dan kristalliseren ze. Het precieze mechanisme is echter nog niet goed bekend.”

Wetenschappers bootsen deze overgangsfase van amorf naar kristallijn na om de mechanismen ervan te doorgronden. Zo ook Smeets. Aan een oplossing van natriumcarbonaat voegt hij langzaam een calciumzout toe. Vervolgens voegt hij ook negatief geladen polymeren en andere stoffen toe aan de oplossing, om de invloed op het kristallisatieproces te achterhalen. Aangetrokken door de lading, vormen de calciumcarbonaatdeeltjes clusters op de polymeren.

“Ik onderzoek onder andere hoe groot de deeltjes worden voordat ze kristalleren”, zegt de student. “Ik meet de lading op de polymeren en bekijk de deeltjes onder een hypermoderne cryo-elektronenmicroscoop.”

De laboratoriumomstandigheden zijn net wat anders dan aan de binnenkant van een mossel, weet Smeets. “Die biologische leefomgeving is moeilijk na te bootsen. We proberen zo dicht mogelijk bij moeder natuur te komen om toch een tipje van de sluier op te lichten.”

Tekst: Enith Vlooswijk
Foto: Rien Meulman