Какво се опитахме да копираме от природата

Човечеството с право се гордее с научните си постижения в областта на синтетичните материали – нанотехнологични метаматериали, полимери, композити и т.н. Но има още с какво да се поучим от природата, макар че едва в последните десетилетия се появиха технологии, които за първи път позволяват да се копират наистина уникални природни материали.

Морските краставици – меки отвън, твърди отвътре

Морската краставица (холотурия) е безгръбначно с дължина от 3 см до 2 м. Обикновено това са меки и податливи животни, но в случай на опасност се втвърдяват. Тази необикновена смяна на свойствата заинтересувала учените от Case Western Reserve University, които решили да разработят материал с аналогични свойства. Целта е разбираема – подобен материал е много необходим в медицината, например при имплантирането на невроинтерфейси електродите трябва да бъдат твърди, а по време на експлоатацията в тялото – гъвкави и меки.

Wikimedia Commons

Но да се създаде такъв материал, изобщо не е лесно и тук морските краставици просто се явили като подарък за науката. Но за копирането трябвало да се разбере как морските краставици изпълняват чудесната си трансформация. Оказало се, че в тях съществува мрежа от колагенови влакна в мека матрица. Когато животното се изплаши и отделя особени химически вещества, влакната формират здрави твърди връзки.

Учените успели да повторят този природен трик и създали нанокомпозит от целулозни влакна в гъвкава полимерна матрица. В обичайно състояние това е твърд материал, но след добавянето на вода той става мек – точно каквото е необходимо за имплантата.

Подводно стъкло, което е невъзможно да се разбие

Още един морски организъм – морска гъба – има много необикновен скелет, направен от стъкло. Това е морската гъба с красивото наименование „Венерина кошница”, която има дължина до 25 см и се отличава с фантастична красота – изящна ажурна цилиндрична конструкция от тънко стъкло. Но при цялата й привидна крехкост морската гъба е по-здрава от много видове цимент и издържа тонове налягане на водата.

© Heidi Reed

Учените от Харвардския университет сериозно се заинтересували от морските гъби, които не само имат здрав стъклен скелет, но и произвеждат известно количество светлина благодарение на биолуминесцентни бактерии. Конструкцията на подводния „светилник” наистина е необичайна – скелетът представлява решетъчна цилиндрична конструкция, подобна на тези, които използват инженерите за строителство на опори на мостове и скелети на небостъргачи. Освен това стъклото на морската гъба е слоесто, което не само го прави здраво, но и позволява по-добре да провежда светлина.

След като изследвали скелета на морската гъба, учените изяснили, че той се състои от множество иглици (спикули) – малки продълговати кристали. И ето, през март 2013 г. учените от университета „Йоханес Гутенберг” и института за изследване на полимери „Макс Планк” най-накрая успели да пресъздадат спикулите и да повторят скелета на морската гъба. Изкуственият аналог е направен от евтиния материал калцит и притежава уникалните качества на природния оригинал – необикновена здравина и светлопроводимост.

Тази технология може да се използва в протезирането и електрониката.

Хитоните – мегазъби на мечтите

Хитоните са морски охлюви. Един от видовете хитони – Chaetopleura Аpiculata – има невероятни зъби, толкова твърди, че с тях може да се мелят камъни в търсене на водорасли. Не е необходимо да обясняваме колко полезен е такъв материал – от него може да се правят брони, режещи инструменти, медицински емайли, изкуствени кости и т.н.

Учените от Северозападния университет (САЩ) са решили да копират уникалните самозаточващи се зъби на хитоните и да направят костни протези въз основата на новия материал.

© Bruno Anseeuw

На свой ред учените от Калифорнийския универстите се съсредоточили върху изучаването на зъбите на хитона Cryptochiton Stelleri. Този хитон също има „камъкотрошачни” зъби, които се състоят от магнетит. Това е най-твърдото от известните биоминерални вещества, което има и магнитни свойства. Американските учени успели да изяснят как се формира този уникален материал в тялото на хитона.

Първоначално върху хитинови влакна се формират нанокристали ферихидрит, които се преобразуват в магнетит. След това частиците магнетит започват да нарастват по дължината на хитиновите влакна и формират редици успоредни високоякостни пръти, които придават на зъбите особена здравина.

Интересно е, че този процес не изисква високи температури, налягане и токсични химикали. Ако учените успеят да създадат ефективна технология за промишлено производство на подобен материал, то ще се появи ново поколение бронежилетки, устойчиви на износване дрехи, инструменти, противометеоритна защита и електроника.

Суперлепилото на мидите

Мидите притежават уникална способност – независимо от жестоките бури и течения, благодарение на суперздраво лепило мекотелите остават стабилно прикрепени към скалите.

Двучерупчестите мекотели отделят лепкава белтъчна течност, която се втвърдява и се превръща в твърди нишки водоустойчиво лепило.

© National Park Service

Учените от Северозападния университет изучили суперлепилото на мидите и изяснили, че основната му съставка е особена аминокиселина – 3,4-диоксифенилаланин. Именно тя позволява на лепилната смес бързо да изсъхва и да прилепва дори към най хлъзгавите повърхности.

Сега учените се опитват да създадат от тази аминокиселина здраво лепило, годно за ремонт на кораби, счупени кости и херметизация в условията на повишена влажност и механични натоварвания.

Изкуствена паяжина

Паяжината има множество ценни свойства – тя е супереластична, лепкава, лека, но достатъчно здрава, за да може на нея да се увеси вана с вода.

© AMSilk

Учените от години се опитват да създадат изкуствена паяжина, но до днес тя отстъпвала по характеристики на натуралната. Ето че наскоро компанията AMSilk обяви, че е успяла да създаде изкуствена паяжина, която не е по-лоша от истинската. Този материал се нарича Biosteel и се произвежда с генномодифицирана бактерия E.coli. Компанията не разкрива подробности по производствения процес, но и така е ясно, че синтетичната паяжина ще стане сензация.

От нея може да се произвеждат здрави бронежилетки, слънчеви платна, парашути, медицински материали и много други вещи, за които без съмнение ще има огромен интерес.

Куче и репей

През 1940 г. швейцарският инженер Жорж дьо Местрал взел кучето си и отишъл на лов. Когато се върнал, открил, че както винаги по козината на животното са полепнали репеи. Ученият открил малките кукички, с които репеят се закрепвал върху козината и тази картина вдъхновила инженера за изработването на известните лепящи ленти, познати на всички като велкро.

© TUM

Изкуственият аналог на репея се прави лесно – лентите се изработват от найлон, чиито влакна при нагряване се огъват в кукички.

Проста рецепта за научна слава

Както виждаме, понякога, за да се направи полезно изобретение или да се разработи нов клас ценни материали, е необходимо само да се вгледаме в това, което е създала „най-модерната и напреднала” лаборатория – природата. Милиони години еволюция са родили уникални материали, които могат да послужат при създаването на високотехнологични устройства и ефективни методи на лечение.

Източник: CNews R&D