Bioinspirerede materialer-lån fra naturens legebog

Naturen giver utallige eksempler på unikke materialer og strukturer udviklet til specialiserede applikationer eller tilpasninger. En tværfaglig forskergruppe ved U.S. Department of Energy's Ames Laboratory forsøger at låse op for de hemmeligheder, som organismer bruger til at bygge så komplekse strukturer, så magt kan bruges til at skabe materialer, der ikke findes i naturen og ikke er i stand til at blive syntetiseret på konventionelle måder.

"Naturen har masser af eksempler på disse hierarkiske strukturer, og de er normalt organisk-uorganiske kompositmaterialer, "sagde Surya Mallapragada, Ames laboratorieforsker og Iowa State University Carol Vohs Johnson Formand i kemisk og biologisk teknik. "Et skibsvandsskelet af glas er et perfekt eksempel på disse strukturer, der er skabt af den organiske fase. Du har uorganiske nanokrystaller, der dannes, og det er en multiskala samlingsproces, som i de fleste tilfælde sker ved milde temperaturer og betingelser, såsom pH. "

"Så vi ser til naturen for inspiration og som en kilde til biomolekyler for at se, hvordan vi kan genskabe nogle af de processer, der skaber disse vidunderlige materialer med hierarkiske samlinger eller ensartet struktur, "sagde hun om forskningen, som er finansieret af DOE-BES Biomolecular Materials Program.

Indtil nu, Mallapragadas team har været i stand til at replikere dannelsen af ​​magnetit ved at studere magnetotaktiske bakterier. Disse bakterier danner magnetiske nanokrystaller eller kæder af nanokrystaller, som de bruger til at orientere sig med Jordens magnetfelt. Ved hjælp af selvsamlende polymerskabeloner og proteiner fra bakterierne, forskere var i stand til at dyrke magnetitkrystaller.

"Vi har brugt denne fremgangsmåde med succes til at dyrke magnetit -nanokrystaller, "Sagde Mallapragada, "men vi er gået ud over det, ved hjælp af disse teknikker til at skabe koboltferrit og andre magnetiske nanokrystaller, der ikke findes i naturen. Det er et godt eksempel på skabeloniseret syntese. "

Gruppen har også arbejdet med calciumphosphat for at forsøge at efterligne den lette styrke, der findes i knogler.

"I nogle tilfælde, vi skal finde på syntetiske analoger, der kan gøre det samme arbejde, men er mere robuste, "Sagde Mallapragada." I mange tilfælde, biomolekylerne er ikke så robuste. Proteiner er skrøbelige molekyler, så hvis vi kan gøre det med syntetiske polymerer, det giver os meget mere fleksibilitet. "

Det er en ting at skabe nanokrystaller. At få disse nanokrystaller til derefter at organisere og danne mikrostrukturer og derefter makroskala strukturer er noget helt andet.

"De er ikke på det kompleksitetsniveau, vi ser i naturen - det er den hellige gral, "Mallapragada forklarede, "men det er inspirationen, og vi forsøger at komme dertil med syntetiske tilgange."

Det seneste mål for at udnytte denne naturlige byggeproces er oprettelsen af ​​metamaterialer, såkaldte venstrehåndede materialer, der har interessante optiske egenskaber, der ikke forekommer i naturen.

"Vi ser på at bruge organiske skabeloner til at samle uorganiske partikler for at få de ønskede egenskaber, "Mallapragada." Vi har et meget stærkt samarbejde med Ames Laboratory -fysikerne Costas Soukoulis og Thomas Koschny, og de har udført et vidunderligt arbejde med simuleringer og forudsigelser af strukturer og udviklet nogle litografiske strukturer, men det er kun 2-D. Så det er virkelig et perfekt tilfælde til at bruge disse bioinspirerede tilgange til selvsamling af disse metamaterialer til 3D-strukturer. "

Mallapragada peger igen på havsvampen af ​​glas til den type multiscale-samling, der kræves for at bygge 3D-metamaterialer.

"Havsvampen har orden på flere skalaer - nanoskala, mikronskala, millimeter-skala. Det er en samling i flere størrelser-det ligner Eiffeltårnet-og derfor har det en meget stor styrke / vægtforhold, "sagde hun." Så vi har brug for et lignende hierarki. Definer formerne i nanoskala, men få derefter et ordnet arrangement af disse nanoskalaobjekter i 2-D og derefter 3-D for at få de ønskede egenskaber. "

Ud over at bruge selvsamlende polymerer, som giver rækkefølge på lang afstand DNA er også blevet brugt, fordi det giver mulighed for specificitet i placeringen af ​​nanopartikler. For at oprette metamaterialer, holdet ser på at bruge begge til at kontrollere placeringen af ​​guld nanopartikler i et specifikt mønster, opbyg lag og påfør derefter en guldfilmbelægning på hele strukturen for at erhverve de ønskede egenskaber.

”Det kræver en meget tværfaglig tilgang, "Mallapragada sagde." Vi har molekylære biologer (Marit Nilsen-Hamilton) til DNA-siden, materialekemikere (Mallapragada) til polymersyntesen, Soukoulis og Koschny for den teoretiske forudsigelse af strukturerne og (fysiker) Alex Travesset til modellering af den slags strukturer, vi kan få. "

"Vi har brug for god karakterisering, så David Vaknin ser på spredningsmetoder, og Tanya Prozorov har udført transmissionselektronmikroskopi, "fortsatte hun." Andy Hillier (kemisk/biologisk ingeniør) har været involveret i metallisering, anvende den kontinuerlige guldfilm på de nanostrukturerede skabeloner. Så det er et multiniveau, flertrins, multi-komponent syntetisk proces. "

Moder Natur bør være smigret!