Forskere skaber kunstig perlemor ved hjælp af bakterier

De stærkeste syntetiske materialer er ofte dem, der med vilje efterligner naturen.

Et naturligt stof forskere har kigget efter ved fremstilling af syntetiske materialer er nacre, også kendt som perlemor. En usædvanlig hård, stift materiale produceret af nogle bløddyr og fungerer som deres indre skallag, det omfatter også det ydre lag af perler, giver dem deres skinnende glans.

Men mens nacres unikke egenskaber gør det til en ideel inspiration i skabelsen af ​​syntetiske materialer, de fleste metoder, der bruges til at producere kunstig nacre, er komplekse og energikrævende.

Nu, en biolog ved University of Rochester har opfundet en billig og miljøvenlig metode til fremstilling af kunstig nacre ved hjælp af en innovativ komponent:bakterier. Den kunstige nacre skabt af Anne S. Meyer, lektor i biologi i Rochester, og hendes kolleger er lavet af biologisk producerede materialer og har sejheden af ​​naturligt nacre, samtidig med at den er stiv og overraskende, bøjelig.

Metoden, der bruges til at skabe det nye materiale, kan føre til nye anvendelser inden for medicin, teknik - og endda konstruere bygninger på månen.

Imponerende mekaniske egenskaber

De imponerende mekaniske egenskaber ved den naturlige nacre stammer fra dens hierarkiske, lagdelt struktur, som tillader energi at sprede sig jævnt over materialet. I et papir offentliggjort i tidsskriftet Lille , Meyer og hendes kolleger skitserer deres metode til at bruge to bakteriestammer til at replikere disse lag. Da de undersøgte prøverne under et elektronmikroskop, strukturen skabt af bakterierne blev lagdelt på samme måde som nacre produceret naturligt af bløddyr.

Selvom nacre-inspirerede materialer er blevet skabt syntetisk før, de metoder, der bruges til at fremstille dem, involverer typisk dyrt udstyr, ekstreme temperaturer, højtryksbetingelser, og giftige kemikalier, Siger Meyer. "Mange mennesker, der skaber kunstige nacre, bruger polymerlag, der kun er opløselige i ikke -vandige opløsninger, et organisk opløsningsmiddel, og så har de denne kæmpe spand affald ved afslutningen af ​​proceduren, der skal bortskaffes. "

For at producere nacre i Meyers laboratorium, imidlertid, alt forskere skal gøre er at dyrke bakterier og lade det sidde et varmt sted.

Fra bakterier til nacre

For at lave den kunstige nacre, Meyer og hendes team skaber skiftevis tynde lag af krystalliseret calciumcarbonat - som cement - og klæbrig polymer. De tager først et glas eller plastglas og lægger det i et bægerglas, der indeholder bakterierne Sporosarcina pasteurii , en calciumkilde, og urinstof (i menneskekroppen, urinstof er affaldsproduktet, der udskilles af nyrerne under vandladning). Denne kombination udløser krystallisationen af ​​calciumcarbonat. For at lave polymerlaget, de placerer objektglasset i en opløsning af bakterierne Bacillus licheniformis , lad derefter bægeret sidde i en inkubator.

Lige nu tager det cirka en dag at opbygge et lag, cirka fem mikrometer tyk, af calciumcarbonat og polymer. Meyer og hendes team ser i øjeblikket på at belægge andre materialer som metal med nacre, og "vi prøver nye teknikker til at gøre tykkere, nacre-lignende materialer hurtigere, og det kunne være hele materialet selv, "Siger Meyer.

Bygger huse på månen

En af de mest gavnlige egenskaber ved den nacre, der produceres i Meyers laboratorium, er, at den er biokompatibel - lavet af materialer, som menneskekroppen producerer, eller at mennesker alligevel kan spise naturligt. Dette gør nacre ideel til medicinske applikationer som kunstige knogler og implantater, Siger Meyer. "Hvis du brækker din arm, for eksempel, du kan lægge en metalstift i, der skal fjernes med en anden operation, efter at din knogle er helet. En nål lavet af vores materiale ville være stiv og hård, men du skulle ikke fjerne det. "

Og, mens materialet er hårdere og stivere end de fleste plastmaterialer, det er meget let, en kvalitet, der især er værdifuld til transportkøretøjer som flyvemaskiner, både, eller raketter, hvor hvert ekstra pund betyder ekstra brændstof. Fordi produktionen af ​​bakteriel nacre ikke kræver nogen komplekse instrumenter, og den nacre belægning beskytter mod kemisk nedbrydning og forvitring, det giver løfte om anlægsapplikationer som revnedannelse, beskyttende belægninger til erosionskontrol, eller til bevarelse af kulturelle artefakter, og kunne være nyttig i fødevareindustrien, som et bæredygtigt emballagemateriale.

Nakren kan også være et ideelt materiale til at bygge huse på månen og andre planeter:de eneste nødvendige "ingredienser" ville være en astronaut og et lille rør af bakterier, Siger Meyer. "Månen har en stor mængde calcium i månestøvet, så calcium er der allerede. Astronauten bringer bakterierne, og astronauten fremstiller urinstof, hvilket er den eneste anden ting, du har brug for for at begynde at lave calciumcarbonatlag. "

Selv ud over dets kvaliteter som et ideelt konstruktionsmateriale, selve nacre - som enhver perlesmykker ejer ved - er "meget smuk, "Meyer siger, på grund af dets stablede lag. Hvert stablet lag har omtrent samme bølgelængde som synligt lys. Når lyset rammer nacren, "lysets bølgelængder interagerer med disse lag af samme højde, så det hopper tilbage i den samme bølgelængde som synligt lys." Mens den bakterielle nacre ikke interagerer med synligt lys, fordi lagene er tykkere end naturlige nacre, det kan interagere med infrarøde bølgelængder og hoppe infrarød af sig selv, Meyer siger, som "kan tilbyde unikke optiske egenskaber."