Hvad ildmyrer kan lære os om at lave bedre selvhelbredende materialer

I deres seneste publikation i Proceedings of the National Academy of Sciences , Wagner og hans medforfattere ved University of Colorado undersøgte, hvordan ildmyreflåder reagerede på mekanisk belastning, når de blev strakt, og de sammenlignede disse flåders reaktion med dynamiske, selvhelbredende polymerer.

"Mange polymerer holdes sammen af ​​dynamiske bindinger, der bryder, men kan reformeres," sagde Wagner. "Når de trækkes langsomt nok, har disse bindinger tid til at omstrukturere materialet, så det - i stedet for at bryde - flyder som slimet, vores børn leger med, eller soft-serve is. Når det trækkes meget hurtigt, knækker det dog mere som kridt Da tømmerflåderne holdes sammen af ​​myrer, der klamrer sig til hinanden, kan deres bånd brydes og forvandles. Så mine kolleger og jeg troede, at de ville gøre det samme."

Men Wagner og hans samarbejdspartnere opdagede, at uanset hvilken hastighed de trak myreflåderne, var deres mekaniske reaktion næsten den samme, og de flød aldrig. Wagner spekulerer i, at myrerne refleksivt strammer og forlænger deres greb, når de føler kraft, fordi de ønsker at blive sammen. De enten skruer ned eller slukker for deres dynamiske adfærd.

Dette fænomen med bindinger, der bliver stærkere, når der påføres kraft på dem, kaldes catch bond-adfærd, og det forbedrer sandsynligvis sammenhængen for kolonien, hvilket giver mening for overlevelse.

"Når du trækker på typiske bindinger med en vis mængde kraft, vil de give slip hurtigere, og deres levetid går ned - du svækker båndet ved at trække i det. Det er, hvad du ser i næsten ethvert passivt system, " sagde Wagner.

"Men i levende systemer, på grund af deres kompleksitet, kan du nogle gange have catch-bindinger, der holder i længere varigheder under en vis række af påført kraft. Nogle proteiner gør dette mekanistisk og automatisk, men det er ikke sådan, at proteinerne træffer en beslutning. De 'er bare arrangeret på en sådan måde, at når en kraft påføres, afslører det disse bindingssteder, der låser eller 'fanger'."

Wagner mener, at efterligning af disse fangbindinger i konstruerede systemer kan føre til kunstige materialer, der udviser autonom, lokaliseret selvforstærkning i områder med højere mekanisk stress. Dette kan øge levetiden for biomedicinske implantater, klæbemidler, fiberkompositter, bløde robotkomponenter og mange andre systemer.

Kollektive insektsammenlægninger som brandmyreflåder inspirerer allerede forskere til at udvikle materialer med stimuli-responsive mekaniske egenskaber og adfærd. Et papir i Naturmaterialer tidligere i år – ledet af Ware Responsive Biomaterials Lab ved Texas A&M og inklusive bidrag fra Wagner og hans tidligere specialevejleder, professor Franck J. Vernerey – demonstrerer, hvordan bånd lavet af specielle geler eller materialer kaldet flydende krystalelastomerer kan vikle sig på grund af opvarmning, og derefter vikle sig ind i hinanden for at danne fortættede, solid-lignende strukturer, der var inspireret af disse myrer

"En naturlig progression af dette arbejde er at besvare, hvordan vi kan få interaktionerne mellem disse bånd eller andre bløde byggesten til at 'fange' under belastning, ligesom ildmyrerne og nogle biomolekylære interaktioner gør," sagde Wagner.

Flere oplysninger: Robert J. Wagner et al., Catch bond kinetik er medvirkende til sammenhængen mellem ildmyreflåder under belastning, Proceedings of the National Academy of Sciences (2024). DOI:10.1073/pnas.2314772121

Journaloplysninger: Proceedings of the National Academy of Sciences , Naturmaterialer

Leveret af Binghamton University