Biofilm som bygningsarbejdere

Biofilm ses generelt som et problem, der skal udryddes på grund af de farer, de udgør for mennesker og materialer. Imidlertid, disse samfund af alger, svampe eller bakterier besidder interessante egenskaber både ud fra et videnskabeligt og teknisk synspunkt. Et team fra det tekniske universitet i München (TUM) beskriver processer fra biologiområdet, der udnytter biofilm til at skabe strukturelle skabeloner for nye materialer, der besidder egenskaberne af naturlige materialer. I fortiden, dette var kun muligt i begrænset omfang.

Over millioner af år, naturlige materialer som træ, knogle og perlemor er via evolution blevet optimeret efter princippet om tilpasset stabilitet med den lavest mulige vægt. Naturen har inspireret mange tekniske udviklinger. Eksempler inkluderer flyvinger, lynlåse og overfladeforseglinger ved hjælp af en lotuseffekt. Imidlertid, reverse engineering kan ikke gengive originalens strukturelle kompleksitet i naturen.

"I naturen, vi finder mange materialer med egenskaber, som kunstige materialer ikke er i stand til at kopiere på nøjagtig samme måde, sagde professor Cordt Zollfrank, der forsker i grundlæggende principper for udvikling af nye materialer sammen med sit team på Chair of Biogenic Polymers på TUM Campus Straubing for Biotechnology and Sustainability.

Største problemer på det mindste niveau

Som grænsefladen mellem biologi og teknologi, bionics anvender metoder og systemer, der findes i naturen, til at levere løsninger på tekniske problemer. Da det stadig var begrænset til at bruge naturlige former, f.eks. som skabeloner til udvikling i design af flyvinger eller skibsskrog, problemerne forblev overskuelige. Imidlertid, at efterligne naturlige byggematerialers materialeegenskaber er en helt anden historie. Dette skyldes, at de findes i de indre strukturer, hvor fibre er knyttet til hinanden over flere størrelsesordener og på tværs af forskellige hierarkiske niveauer.

"Som regel, de vigtigste kilder til mekaniske materialeegenskaber såsom elasticitet, styrke og sejhed findes på det mindste niveau af disse hierarkier, især på nanometerskalaen, " forklarede Dr. Daniel Van Opdenbosch, en teamleder ved Zollfranks stol og en af ​​artiklens forfattere, beskriver hovedproblemet, når man forsøger at oversætte dem til tekniske løsninger. Imidlertid, når mikroorganismerne selv eller deres sekret skaber materialet, de teknisk sofistikerede komplekse netværk er allerede fuldt udformet.

Fremtiden for Bionics

I en artikel til tidsskriftet Avancerede materialer , forskerne på TUM præsenterer en række procedurer fra biologiområdet, der udnytter lys, varme, specielt forberedte underlag, og andre stimuli til at guide mikroorganismers bevægelsesretning ad meget specifikke veje. "Disse biologiske fund for at kontrollere mikrober via målrettede stimuli vil forme fremtiden for materialeforskning, " sagde professor Cordt Zollfrank. Det skyldes, at de gør det muligt at skabe skræddersyede skabeloner til nye materialer med naturlige strukturer fra selve mikroberne eller deres sekreter. "Med vores artikel, vi ønsker at vise den retning, denne rejse vil tage os inden for biologisk inspireret materialevidenskab, " sagde professoren.

Kontaktfri modellering

Daniel Van Opdenbosch og hans gruppe bruger allerede med succes nogle af disse metoder i Straubing. Som en del af et Reinhart Koselleck-projekt fra den tyske forskningsfond (DFG), forskerne udnytter rødalgers særlige egenskaber, hvis bevægelsesretning afhænger af eksponering for lys, og som udskiller kæder fra sukkermolekyler. Ved at projicere lysmønstre, som over tid ændrer sig til algernes vækstmedium, forskerne bruger dem til at skabe lange, fine polymertråde, som tjener som brugerdefinerede skabeloner til fremstilling af funktionel keramik.

Ved hjælp af algerne, et vilkårligt antal skabeloner kan oprettes til en bred vifte af applikationer, lige fra batterielektroder til nye skærm- og displayteknologier til applikationer inden for medicin, såsom erstatning af knogle og væv. Selvom evnen til at dyrke komplekse mikrostrukturer såsom hele komponenter og andre hierarkisk strukturerede materialer stadig er langt ude i fremtiden, det kan snart blive en håndgribelig realitet takket være grundforskningen udført af forskerne på Straubing.