Будь то дерево, кость, перламутр или зубы — за миллионы лет эти материалы были оптимизированы в процессе эволюции в соответствии с принципом адаптированной стабильности при минимально возможном весе. Природа предоставила чертежи для многих технических разработок. Примеры включают крылья самолета, молнии и поверхностные герметики с эффектом лотоса.
Однако реплики обратного проектирования не могут воспроизвести структурную сложность оригинала по своей природе.
«В природе мы находим множество материалов со свойствами, которые искусственные материалы не могут воспроизвести точно таким же образом», — сказал профессор Кордт Цолльфранк, который проводит исследования основных принципов разработки новых материалов вместе со своей командой на кафедре биогенных технологий.
Полимеры в кампусе ТУМ в Штраубинге для биотехнологий и устойчивого развития.
Самые большие проблемы на самом маленьком уровне
В качестве связующего звена между биологией и технологией бионика использует методы и системы, встречающиеся в природе, для решения технических проблем. Когда еще ограничивались естественными формами, e.грамм. в качестве шаблонов для разработки конструкции крыльев самолетов или корпусов кораблей, проблемы оставались решаемыми.
Однако имитация свойств натуральных строительных материалов — совсем другое дело. Это связано с тем, что они находятся во внутренних структурах, где волокна связаны друг с другом на несколько порядков и на разных иерархических уровнях.
«Обычно основные источники механических свойств материала, таких как эластичность, прочность и ударная вязкость, находятся на самом низком уровне этих иерархий, особенно в нанометровом масштабе», — пояснил доктор. Даниэль Ван Опденбош, руководитель группы в кресле Zollfrank и один из авторов статьи, описывает основные проблемы при попытке перевести их в технические решения.
Однако, когда сами микроорганизмы или их выделения создают материал, технически сложные сложные сети уже полностью сформированы.
Будущее бионики
В статье для журнала Advanced Materials исследователи из TUM представляют серию процедур из области биологии, которые используют свет, тепло, специально подготовленные субстраты и другие стимулы для определения направления движения микроорганизмов по очень специфическим путям. «Эти биологические открытия для контроля микробов с помощью целевых стимулов сформируют будущее исследований материалов», — сказал профессор Кордт Цолльфранк.
Это потому, что они позволяют создавать индивидуальные шаблоны для новых материалов с естественной структурой из самих микробов или их выделений. «В нашей статье мы хотим показать направление, в котором нас приведет это путешествие в области биологического материаловедения», — сказал профессор.
Бесконтактное моделирование
Даниэль Ван Опденбош и его группа уже успешно используют некоторые из этих методов в Штраубинге. В рамках проекта Рейнхарта Козеллека Немецкого исследовательского фонда (DFG) исследователи используют особые свойства красных водорослей, направление движения которых зависит от воздействия света и которые выделяют цепи из молекул сахара.
Проектируя световые узоры, которые со временем меняются, на среду роста водорослей, исследователи используют их для создания длинных тонких полимерных нитей, которые служат в качестве пользовательских шаблонов для производства функциональной керамики.
С помощью водорослей можно создать любое количество шаблонов для самых разных применений, начиная от аккумуляторных электродов и заканчивая новыми технологиями экранов и дисплеев и приложениями в медицине, такими как замена костей и тканей.
Хотя возможность выращивать сложные микроструктуры, такие как целые компоненты и другие иерархически структурированные материалы, все еще далека от будущего, вскоре она может стать ощутимой реальностью благодаря фундаментальным исследованиям, проведенным исследователями из Straubing.