Går naturen en bedre:Forskere lærer biologiens hemmeligheder for at gøre hårde, modstandsdygtige materialer

Naturen har en meget stor fordel i forhold til ethvert menneskeligt forskerhold:masser af tid. milliarder af år, faktisk. Og i al den tid, det har produceret nogle virkelig fantastiske materialer-ved hjælp af svage byggesten, som ingeniører endnu ikke har fundet ud af at bruge til højteknologiske applikationer, og med mange egenskaber, som mennesker endnu ikke har fundet måder at duplikere på.

Men nu er en række forskere som MIT -professor Markus Buehler begyndt at opklare disse processer på et dybt niveau, ikke blot at finde ud af, hvordan materialerne opfører sig, men hvad de væsentlige strukturelle og kemiske egenskaber er, der giver dem deres unikke egenskaber. I fremtiden, de håber at efterligne disse strukturer på måder, der giver endnu bedre resultater.

Det hele handler om at samle komplekse strukturer fra små, simple byggeklodser, Buehler forklarer. Han kan lide at bruge en musikalsk analogi:En symfoni består af mange forskellige instrumenter, som hver især i sig selv aldrig kunne producere noget så stort og komplekst som de kombinerede rige, fuld musikoplevelse. På lignende måde, han håber at konstruere komplekse materialer med tidligere utilgængelige egenskaber ved at bruge enkle byggeklodser samlet på måder, der låner fra dem, der bruges af naturen.

Menneskelige ingeniører, forklarer han, har mindst en vigtig fordel i forhold til naturen:De kan vælge deres materialer. Natur, derimod, ofte må nøjes med det, der er let tilgængeligt lokalt, og hvilke strukturer der er blevet skabt gennem evolutionens lange trial-and-error. "En edderkop eller en celle, ”Siger Buehler, "har ikke de store ressourcer. Det kan ikke importere materialer, den bruger det, der er tilgængeligt."

I biologiske materialer som edderkoppesilke, strukturernes geometri gør hele forskellen. Silke, et emne for tidligere undersøgelser af Buehler og hans kolleger, består af molekyler, der er, i sig selv, iboende svag, men de grundlæggende skiveformede molekyler kombineres til små stakke, som igen kombineres til tværbundne fibre på en måde, der gør det hele langt stærkere end dets bestanddele. Ingeniører kunne lære noget eller to af sådanne strukturer, Buehler foreslår, med deres forskellige arrangementer i forskellige skalaer. "Hvis vi finder ud af, hvordan vi designer ting i flere skalaer, vi har ikke brug for flotte byggesten, ” siger han.

Peter Fratzl, en materialeforsker ved Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Tyskland, ser meget lovende i denne tilgang. ”Det er ikke så meget den kemiske sammensætning, der virkelig tæller, men måden komponenterne (som i sig selv kan være dårlige) er forbundet sammen, ” siger han. "At optrevle disse strukturelle principper kræver eksperimentelle såvel som teoretiske tilgange, der dækker mange længdeskalaer, fra størrelsen af ​​molekyler til komplette organer.” Indtil videre, forskningen har hovedsagelig været på den teoretiske side, men Buehler og andre håber også at kunne fortsætte med eksperimentelt arbejde.

Denne designtilgang holder ikke kun løftet om at skabe materialer med store kvaliteter af styrke, eller strækbarhed, eller med nyttige optiske eller elektriske egenskaber, men også til brug af materialer, der nu menes at være til lidt nytte, eller endda affaldsstoffer.

Hierarkiske strukturer

Nøglen til at lave stærke materialer ud af svage komponenter, Buehler har fundet, ligger i den måde, små stykker er arrangeret i større mønstre på forskellige måder i forskellige skalaer - med andre ord, i et hierarkisk sæt af strukturer. “Dette paradigme, dannelsen af ​​distinkt struktur på flere længdeskalaer, gør det muligt for biologiske materialer at overvinde byggestenens iboende svagheder, ” skrev han i et papir, der udkom i journalen denne måned Nano i dag .

De fleste af de strukturelle materialer designet af mennesker, på den anden side - stål, mursten, mørtel - har enkle strukturer, der ikke varierer med skalaen, selvom nogle kompositmaterialer og strukturer bygget af komponenter såsom carbon nanorør begynder at implementere i det mindste en vis differentiering af struktur med skala. Men Buehler ser dette som et område, der er modent til meget mere sofistikerede og komplekse nye designs.

Buehler foreslår, at ligesom biologien har gjort, mennesker kunne konstruere materialer med ønskede egenskaber såsom styrke eller fleksibilitet ved at bruge rigelige og billige materialer såsom silica, som i bulkform er sprød og svag. "Designet af hierarkiske strukturer kan være nøglen til at overvinde deres iboende svaghed eller skørhed, ejendomme, der i øjeblikket forhindrer deres udbredte teknologiske anvendelse, ”Skrev han i Nano Today -avisen. Ved hjælp af smart designede strukturer, foreslår han, mennesker bør være i stand til at producere materialer med næsten enhver form for ønskede egenskaber, selv ved at bruge en meget begrænset, og "næsten vilkårligt" sæt komponenter.

"Vi forsøger at udvikle computermodeller, " siger han, "så vi kan lave forudsigelser" om egenskaberne af materialer bygget på måder, der aldrig er blevet lavet før. "Som ingeniører vi har modeller til, hvordan man laver en bil, eller en bygning, ”Siger han. Men for at designe de grundlæggende strukturer af nye materialer, teknologien i dag “er virkelig på et spædbarnsstadium.” Men som sådanne modeller udvikles, siger han selvsikkert, "Vi kan meget bedre end biologi."