Naturens vidundere inspirerer til eksotiske menneskeskabte materialer

I denne måneds udgave af Fysik verden , en gruppe fysikere beskriver, hvordan unikke strukturer i den naturlige verden inspirerer videnskabsmænd til at udvikle nye typer materialer med hidtil usete egenskaber.

Fra klæbende tape inspireret af gekkoers tæer til en potentiel fejlbestandig belægning af flyvemaskiner inspireret af perlemor, tiltrækningskraften centrerer sig om ét koncept - hierarkisk design.

Når materialer har et hierarkisk design, den overordnede struktur består af meget mindre niveauer, eller generationer, af strukturer, der, når de sættes sammen, udviser ekstraordinære egenskaber.

For eksempel, gekkoers evne til at gå op ad lodrette vægge og på tværs af lofter er ned til det hierarkiske layout af små fibre på deres tæer. Hver tå har en pude med behårede fibre, der stikker ud, som gentagne gange deler sig i finere og finere hår med dimensioner ned til nanoskalaen.

Denne gentagne opdeling øger tæernes overfladeareal betydeligt og hjælper med at fastgøre gekkoens tå til en overflade.

Før disse naturlige strukturer blev opdaget, imidlertid, arkitekter brugte denne hierarkiske tilgang til at designe nogle af de mest berømte bygninger og strukturer, der stadig står i dag.

Det måske mest berømte eksempel er Eiffeltårnet, som overvejende består af små bjælker, der kombineres for at danne større bjælker, som kombineres igen for at skabe endnu større bjælker, og så videre i i alt tre strukturelle generationer.

Eiffeltårnet blev bygget til verdensudstillingen i 1889, og Gustav Eiffels designplaner betød, at da det kom til byggeriet, materialer blev brugt sparsomt. Faktisk, hvis du skulle smelte hele tårnets jern om til en solid blok med et grundareal svarende til tårnets, blokken ville kun stå 6 cm over jorden.

Mere end 100 år senere, videnskabsmænd og ingeniører ser nu på den mest effektive måde at bruge denne hierarkiske tilgang til at skabe eksotiske menneskeskabte materialer kaldet metamaterialer.

I denne artikel, Daniel Rayneau-Kirkope, fra Aalto Universitet, Yong Mao, fra University of Nottingham, og Robert Farr, fra London Institute of Mathematical Sciences, forklare, hvordan disse typer af strukturer kan optimeres ved at forstå det præcise forhold mellem struktur og funktion.

Teknologier, der er nødvendige for at lave disse komplekse designs, skrider fremad. Nogle forskere forsøger at udvikle en proces i industriel skala til at konstruere materialer, der efterligner Nacre, også kendt som perlemor.

Nacre er et utroligt stærkt materiale, der produceres af nogle bløddyr som en indre skal; det udgør også den ydre belægning af perler og har en brudmodstand 3000 gange større end krystaller.

"Ved at starte med materialer, som naturen ikke bruger til strukturelle formål, der er en chance for, at de fordelagtige egenskaber ved Nacre og andre eksempler på naturligt forekommende hierarkisk design endda kan overgås af menneskeskabte kompositter, " skriver forskerne.