З давніх часів ми користуємося “розробками” природи: від звірячої шкури, до нафти. Сьогодні вчені знаходять все більше унікальних натуральних матеріалів, копіювання яких рухає науку і техніку вперед.
Людство по праву пишається своїми науковими досягненнями в області синтетичних матеріалів: нанотехнологічні метаматеріали, передові полімери, композити і т.д. Однак нам все ще є чому повчитися у природи, на щастя, в останні десятиліття з’явилися технології, які вперше дозволяють скопіювати по-справжньому унікальні природні матеріали.
Морські огірки: м’які зовні, тверді всередині
Морські огірки (голотурії) – це безхребетні довжиною від 3 см до 2 м. Зазвичай вони м’які і піддатливі, але у випадку небезпеки стають жорсткими. Ця незвичайна зміна властивостей зацікавила вчених з Case Western Reserve University, які захотіли розробити матеріал з аналогічними властивостями. Мета зрозуміла: подібний матеріал дуже потрібен в медицині, наприклад при імплантації нейроінтерфейсів, електроди повинні бути жорсткими, а вже під час експлуатації в тілі – гнучкими і м’якими.
Однак створити такий матеріал непросто і тут морські огірки – просто подарунок для науки. Та щоби скопіювати правильно потрібно було дізнатися, як морські огірки виконують «чудесну» трансформацію. Виявилося, що в них існує мережа колагенових волокон в м’якій матриці. Коли тварина лякається і виділяє особливі хімічні речовини, волокна формують міцні жорсткі зв’язку.
Вченим вдалося відтворити цей природний «трюк». Для цього вони створили нанокомпозит з крихітних волокон целюлози в гнучкій полімерній матриці. У звичайному стані це жорсткий матеріал, але після додавання води він стає м’яким – те що треба для імплантату.
Підводне скло, яке неможливо розбити
Ще один морський організм, морська губка, має дуже незвичайний скелет, зроблений зі скла. Наприклад морська губка під красивою назвою Корзинка Венери має довжину до 25 см і відрізняється фантастичною красою: витончена ажурна циліндрична конструкція з найтоншого скла. Однак при всій удаваній крихкості, скелет морської губки міцніше багатьох видів цементу і витримує тисячі кілограм тиску води.
Вчені з Гарвардського університету всерйоз зацікавилися морськими губками, які не тільки мають надміцний скляний скелет, а й виробляють деяку кількість світла завдяки біолюмінесцентим бактеріям. Конструкція підводного «світильника» справді незвичайна: скелет являє собою ґраткову циліндричну конструкцію схожу на ту, що використовують інженери для будівництва опор мостів і каркасів хмарочосів. Крім того, скло морської губки шарувате, що не тільки робить його міцнішим, але і дозволяє краще проводити світло.
Завдяки ретельному дослідженню скелета морської губки, вчені з’ясували, що воно складається з спикул – крихітних довгастих кристалів. І ось, в березень 2013 року вчені з Університету Іоганна Гутенберга та Інституту досліджень полімерів Макса Планка нарешті змогли відтворити спикули і повторити скелет морської губки. Штучний аналог зроблений з дешевого мінералу кальциту і володіє унікальними якостями природного оригіналу: надзвичайною міцністю і світлопроводимістю.
Вчені зімітували природний процес росту скелета в лабораторії: зростання кальцітного скелета управлялося натуральним білком сілікатеіном. У результаті за 6 місяців з аморфної сировини вдалося виростити невелику скляну трубку – гнучку, але міцну. Дану технологію можна використовувати в протезуванні та електроніці.
Хітони – мегазуби мрії
Хітони – це морські молюски. У одного з видів хітонів, Chaetopleura apiculata, є абсолютно неймовірний набір зубів, настільки міцних, що з їх допомогою можна перетирати камені в пошуках водоростей. Не треба пояснювати, наскільки корисний такий матеріал: з нього можна робити броню, ріжучі кромки інструментів, медичні емалі, штучні кістки і т.д.
Науковці з Північно-Західного університету вирішили скопіювати унікальні самозаточуючі зуби хітонів і зробити на основі нового матеріалу протез кістки. Дослідники вивчають, як органічні білки можуть направляти і підтримувати зростання неорганічних мінеральних речовин в зубах морських їжаків.
У свою чергу, вчені з Університету Каліфорнії зосередилися на вивченні зубів хітона Cryptochiton stelleri. Цей хітон також має «кам’янодробильний» набір зубів, які складаються з магнетиту. Це одна з міцних біомінеральних речовин, яка до того ж має магнітні властивості. Американським вченим вдалося з’ясувати, як формується цей унікальний матеріал у тілі хітона. Спочатку на хітинових волокнах формуються нанокристали феррігідріта, які перетворюються на магнетит. Потім частинки магнетиту починають рости у напрямку хітинових волокон і формують ряди паралельних високоміцних стрижнів, які надають зубам високу міцність.
Цікаво, що цей процес не вимагає високих температур, тисків і токсичних хімікатів. Якщо вдасться створити ефективну технологію промислового виробництва магнетитних матеріалів, то з’явиться нове покоління бронежилетів, одягу, стійкого до зношення, інструментів, протиметеоритного захисту та електроніки.
Суперклей мідій
Мідії мають унікальну здатність: незважаючи на жорстокі шторми і течії, завдяки суперміцонму природному клею молюски залишаються намертво приклеєними до скель.
Двостулкові молюски виділяють тягучу білкову рідину, яка твердне і перетворюється на міцні нитки з крапелькою водостійкого клею. По всій довжині клейова нитка має білкові вузлики з вкрапленням заліза.
Вчені з Northwestern University вивчили суперклей мідій і з’ясували, що його основний компонент – це особлива амінокислота, 3,4-діоксіфенілаланін. Саме вона дозволяє клейовій суміші швидко висихати і прилипати навіть до самої слизької поверхні.
Тепер вчені намагаються створювати з цієї амінокислоти міцний клей, придатний для ремонту судин, зламаних кісток і герметизації в умовах підвищеної вологості і механічних навантажень. Такий клей також би підійшов тоді, коли ви проводите , Київ чи інші міста – географія не важлива.
Штучна павутина
Шовк павука володіє безліччю цінних властивостей: він супереластичний, клейкий, легкий, але досить міцний, щоб на нього можна було підвісити ванну з водою.
Вчені вже багато років намагаються створити штучний шовк. Його вирощували в пробірці, в біотанках з генно-модифікованими бактеріями і навіть козами, однак синтетичний шовк до сьогодні поступається за характеристиками натуральному.
Але нещодавно компанія AMSilk оголосила, що їй вдалося створити штучний шовк, який анітрохи не гірше натурального. Цей матеріал називається Biosteel і виробляється він за допомогою генно-модифікованої бактерії E.coli (кишкової палички). Компанія не розкриває подробиці виробничого процесу – воно й зрозуміло, адже синтетичний шовк стане по-справжньому проривним продуктом.
З синтетичного шовку павука можна виробляти надміцні бронежилети, сонячні вітрила, парашути, медичні матеріали та безліч інших речей, на які без сумніву буде величезний попит.
Собака і реп’яхи
У 1940 році швейцарський інженер Жорж де Містраль взяв свою собаку і відправився на полювання. Після повернення, він виявив, звична річ, що на шерсть собаки поналипало насіння будяків. Вчений вирішив поглянути на них у мікроскоп і виявив крихітні гачки, якими реп’ях чіпляється за шерсть.
Ця картина надихнула інженер на розробку всім відомої застібки липучки, або як її називають на заході – Velcro. Робиться штучний аналог будяків легко: прості липучки виготовляються з нейлону, волокна якого при нагріванні загинаються в гачки. Сьогодні існує безліч типів липучок, включаючи міцні застібки, що витримують навантаження до 5.6 кгс / кв. см.
Липучка або Velcro є яскравим прикладом того, як природа може вирішити наші найскладніші проблеми.
Простий рецепт наукової слави
Як бачимо, часом для того, щоб зробити корисний винахід або розробити новий клас цінних матеріалів необхідно лише придивитися до того, що створила сама “просунута” лабораторія – природа. Мільйони років еволюції створили унікальні матеріали, які можуть пригодитися при створенні високотехнологічних пристроїв і ефективних методик лікування.