Биопленки обычно рассматриваются как проблема, которую необходимо искоренить из-за опасностей, которые они представляют для людей и материалов. Однако эти сообщества водорослей, грибов или бактерий обладают интересными свойствами как с научной, так и с технической точки зрения. Команда из Мюнхенского технического университета (TUM) описывает процессы из области биологии, в которых биопленки используются в качестве «строительных рабочих» для создания структурных шаблонов для новых материалов, обладающих свойствами природных материалов. В прошлом это было возможно только в ограниченной степени.
Будь то дерево, кость, перламутр или зубы - на протяжении миллионов лет эти материалы были оптимизированы путем 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 реверс-инжиниринг реплик не может воспроизвести структурную сложность оригинала в природе.
«В природе мы находим много материалов со свойствами, которые искусственные материалы не могут воспроизвести точно таким же образом», - сказал профессор Кордт Золлфранк, который вместе со своей командой проводит исследования основных принципов разработки новых материалов. на кафедре биогенных полимеров в кампусе ТУМ в Штраубинге по биотехнологии и устойчивому развитию.
Самые большие проблемы на самом маленьком уровне
Как интерфейс между биологией и технологией, бионика использует методы и системы, найденные в природе, для решения технических проблем. Когда это все еще ограничивалось использованием естественных форм, например. в качестве шаблонов для разработки крыльев самолетов или корпусов кораблей проблемы оставались решаемыми. Однако имитация материальных свойств натуральных строительных материалов - это совсем другая история. Это потому, 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 материалов, таких как эластичность, прочность и ударная вязкость, находятся на самом низком уровне этих иерархий, особенно на нанометровом уровне», - пояснил д-р Даниэль Ван Опденбош, руководитель группы. на кафедре Цоллфранка и одного из авторов статьи, описывая основные проблемы при попытках их воплощения 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 ТУМ представляют серию процедур из области биологии, в которых используются свет, тепло, специально подготовленные субстраты и другие стимулы для определения направления движения микроорганизмов вдоль очень специфичные пути. «Эти биологические открытия для контроля микробов с помощью целевых стимулов будут определять будущее исследования материалов», - сказал профессор Кордт Золлфранк. Это потому, что они позволяют создавать индивидуальные шаблоны для новых материалов с естественной структурой из самих микробов или их выделений. «Нашей статьей мы хотим показать направление, в котором нас заведет это путешествие в области материаловедения, вдохновленного биологией», - 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 цепочки из молекул сахара. Проецируя световые узоры, которые со временем меняются, на среду роста водорослей, исследователи используют их для создания длинных тонких полимерных нитей, которые служат шаблонами для изготовления 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, еще далеко в будущем, вскоре она может стать реальной реальностью благодаря фундаментальным исследованиям, проведенным исследователями из Straubing.