Паутина, панцирь моллюска, клюв тукана: природа вдохновляет инженеров на создание новых материалов
Вдохновленные природой, но созданные человеком материалы в один прекрасный день могут предложить нам более легкие, прочные и дешевые решения. Команда исследователей, занимающаяся этим вопросом, сообщила в своей публикации, что выявила некоторые характеристики биологических материалов, которые, по их мнению, легко могут быть скопированы инженерами.
Два инженера из Калифорнийского Университета исследовали характеристики таких природных материалов, как паутина, панцирь лангуста, клюв тукана и иглы дикобраза. Они проанализировали эти вещества, чтобы выяснить, как те смогут помочь в создании улучшенной нательной брони, более легких самолетов и более прочных и гибких материалов.
«Панцирь лангуста не появляется за одну ночь", - сообщает Джоанна МакКиттрик (Joanna McKittrick) в своем заявлении. Тем не менее, используя что-то вроде 3D-печати, "вы можете построить материал, схожий по свойствам с панцирем лангуста, используя принципы, которые мы усвоили, изучая природу и печатая слой за слоем минеральные пласты."
Команда занимается изучением био-дизайна уже более десяти лет при помощи множества передовых инструментов, таких, как дифракционный рентгеновский луч и электронный микроскоп. Они также испытывают механические свойства материалов на наноуровне, чтобы понять структуру материалов, найденных в животных и растениях.
«Мать Природа дает нам шаблоны», - говорит МакКиттрик. «Мы пытаемся лучше их понять, чтобы можно было реализовать их в новых материалах».
Материалы в природе используют множество тактик, чтобы защититься от трещин, воздвигая, к примеру, преграды на их пути и мешая распространяться.
Панцирь моллюсков состоит из тысяч слоев, сформированных «плитками», состоящими из карбоната кальция. Эти нерегулярные формации и преломляют свет, создавая характерное перламутровое свечение, а организованы они таким образом, чтобы создать максимально прочную структуру, какая только возможна.
Марк Мейерс (Marc Meyers), другой инженер проекта, говорит, что секрет такой фантастической прочности заключается в особом белковом клее, покрывающем плитки из карбоната кальция с обеих сторон. Клей достаточно силен, чтобы удерживать плитки вместе, но достаточно слаб, чтобы при необходимости они могли разомкнуться.
Мейерс считает, что изучение структуры панциря моллюсков поможет улучшить качество новых керамических материалов.
Иглы дикобраза и птичьи клювы состоят из материалов, которые не гнутся, но остаются при этом невероятно легкими. Большинство из этих материалов имеет трубочную структуру.
Внутренности клюва тукана формируются из жесткой «пены», состоящей из костяных волокон и мембран, которые скапливаются в слои внутри внешних слоев кератина. Этот протеин помогает выращивать ногти, волосы и рога. Согласно Мейерсу, био-композиты, обнаруженные в клюве тукана, могут вдохновить нас на создание ультра-легких транспортных средств.
Паучий шелк имеет высокую прочность на разрыв и растяжение. Мейерс считает, что это один из самых прочных материалов в мире. Шелковые нити состоят из плиссированных слоев нано-кристаллов, соединенных слабыми водородными связями и оплетенных протеиновыми волокнами.
При небольшом натяжении белковые нити разматываются и выпрямляются, а при увеличении натяжения нагрузка передается на нано-кристаллы.
«Существует огромное количество примеров того, чего мы не можем добиться от традиционных материалов», - утверждает МакКиттрик. «Создание новых рукотворных био-материалов займет много времени. Но они будут лучше».
Анжелика Соколова nauka21vek.ru