Biomimicking of nacre by spray coating

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Kemian tekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi

Authors

Date

2017-12-12

Department

Major/Subject

Functional Materials

Mcode

CHEM3034

Degree programme

Master's Programme in Chemical, Biochemical and Materials Engineering

Language

en

Pages

64+7

Series

Abstract

Biomimicking is a field of studies where complex structures from nature such as bone, wood or nacre are attempted to mimic due to their outstanding performance. Nacre is on the scoop of interest due to its excellent mechanical properties. The hierarchical brick and mortar structure enables otherwise brittle calcium carbonate to have the hardness above the rule of mixtures. The previous attempts to mimic nacre structure has had promising mechanical properties but these methods have been rather complicated, time taking and suitable only in laboratory scale process. In this work, the compositional structure was created layer by layer with a common airbrush. The brick like architecture is gained by using a grid as a shadow mask during the “brick material” deposition. Different material combinations, grid geometries and open areas were fabricated and hardness and Young’s modulus were measured. The natural nacre follows hexagonal brick shape and has 95 % aragonite. Hence, hypothesis is that the hardest coating is created by using hexagon grid. It was noticed that the nacre mimic was harder and more flexible compared to alternating unstructured polymer and ceramic layers yet softer than ceramic layer alone. With this kind of technique, largescale e.g. roll-to-roll process could be used to manufacture nacre mimic coating.

Biomimetiikka on tutkimusala, missä monimutkaisia luonnon rakenteita kuten, luu, puu tai helmiäinen, yritetään jäljitellä keinotekoisesti, jotta saavutettaisiin niiden ylivoimaiset ominaisuudet. Helmiäinen on kiehtonut tutkijoita erityisesti mekaanisten ominaisuuksiensa vuoksi. Siinä hierarkkinen tiiliseinää muistuttava rakenne nostaa muutoin hauraan kalsiumkarbonaatin lujuuden teoreettista lujuutta korkeammaksi. Aikaisemmat pyrkimykset replikoida helmiäisrakennetta ovat tuottaneet lupaavia tuloksia, mutta vain pienessä mittakaavassa ja aikaa vievillä tekniikoilla. Tässä työssä, komposiitti rakenne luodaan tavallisella väriruiskulla kerros kerrokselta. Tiilimäinen rakenne saavutettiin käyttämällä verkkoa estämään materiaalia luomasta jatkuvaa kalvoa. Eri materiaalien yhdistelmiä, sekä verkkojen geometrian, materiaalin ja läpäisykyvyn vaikutuksia kovuuteen tarkasteltiin. Tässä työssä todistettiin, että verkkoa käyttämällä saatiin korkeampia kovuustuloksia kuin ilman, vaikkakin pelkkä alumiini oksidi yksinään oli testisarjan kovin materiaali. Taivutustesteistä selvisi, että helmiäisrakenteen jäljennös ohutkalvona kesti taivutusta koesarjasta parhaiten. Tekniikkana suihkupinnoitus on helposti skaalattavana, jolloin se on halpa ja nopea pinnoitustekniikka.

Description

Supervisor

Franssila, Sami

Thesis advisor

Rontu, Ville

Keywords

nacre, biomimic, thin film, spray coating

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201712187881

Collections

[dipl] Kemian tekniikan korkeakoulu / CHEM