В новом обзорном документе команда международных исследователей рассказала о том, как инженеры черпают вдохновение из биологического мира и разрабатывают новые виды материалов, которые потенциально более прочные, универсальные и устойчивые, чем те, которые люди могут изготовить самостоятельно.

"Даже сегодня природа делает вещи намного проще и умнее, чем то, что мы можем сделать синтетически в лаборатории", - сказал Дхрити Непал, первый автор и инженер-исследователь материалов в Исследовательской лаборатории ВВС в Огайо.

Непал вместе с Владимиром Цукруком из Технологического института Джорджии и Хендриком Хайнцем из Университета Колорадо в Боулдере выступили соавторами нового анализа. Команда опубликовала свои выводы 28 ноября в журнале Природные материалы.

Исследователи, приехавшие из трех стран, исследуют перспективы и проблемы, стоящие за "биоинспирированными нанокомпозитами". Эти материалы смешивают различные виды белков и других молекул в невероятно малых масштабах для достижения свойств, которые могут быть невозможны при использовании традиционных металлов или пластмасс. Исследователи часто разрабатывают их с использованием передовых компьютерных симуляций или моделей. Примеры включают тонкие пленки, которые сопротивляются износу за счет включения белков из коконов тутового шелкопряда; новые виды ламината, изготовленные из полимеров и глинистых материалов; углеродные волокна, полученные с использованием биоинспирированных принципов; и стеклянные панели, которые не легко трескаются, потому что они содержат перламутр - радужную оболочку внутри раковин многих моллюсков.

Такие материалы, вдохновленные природой, однажды могут привести к созданию новых и более совершенных солнечных панелей, мягких роботов и даже покрытий для гиперзвуковых реактивных самолетов, сказал Хайнц, профессор химической и биологической инженерии в CU Boulder. Но сначала исследователям нужно будет научиться создавать их снизу вверх, гарантируя, что каждая молекула находится в нужном месте.

"Одна из главных проблем в этой области заключается в том, как мы структурируем эти материалы вплоть до атомного уровня", - сказал Хайнц. "Нам нужно знать, как это делает природа, чтобы мы могли попробовать это в лаборатории и использовать рекомендации вычислительных моделей".

Удивительный кератин

В новом исследовании Непал, Цукрук, Хайнц и их коллеги внимательно изучают кератин, один из наиболее адаптируемых строительных блоков природы.

Эти простые белки, которые часто образуют закрученные спирали, подобные ДНК, могут соединяться друг с другом различными способами, образуя огромное разнообразие структур - от человеческих ногтей и волос до игл дикобраза, рогов носорога и накладывающейся чешуи ящеров.

"Кератин есть везде, и мы едва ли даже начали ценить его полезность", - сказал Непал.

Это один из секретов природы, добавила она: биологические материалы могут демонстрировать широкий спектр сложных архитектур на многих уровнях - то, что инженеры называют "иерархической" инженерией. Некоторые из этих структур достаточно велики, чтобы их можно было увидеть невооруженным глазом, в то время как другие настолько малы, что исследователям для их изучения требуются мощные микроскопы.

Кератин в чешуе панголина, например, приобретает волнистый рисунок, из-за которого чешую трудно расколоть. Перья павлина, между тем, состоят из стержней меланина, встроенных в кератиновую матрицу, что позволяет этим украшениям быть одновременно красочными и жесткими - идеально подходит для павлинов, которые хотят расправить свои хвостовые перья.

"Одна из самых важных вещей, которым мы можем научиться у природы, - это то, как эти материалы обладают множеством функций, которые работают вместе в идеальной синергии", - сказал Непал.

От атомов вверх

Однако создание современных синтетических материалов с множеством функций в лаборатории может оказаться непростой задачей.

"Большинство современных материалов, созданных человеком, представляют собой простые однокомпонентные материалы с упрощенной однородной морфологией и составом", - сказал Цукрук. "И чему мы научились у природы, так это тому, что для создания новых материалов, вдохновленных биологией, для передовых применений в ближайшем будущем требуется гораздо более сложная и устойчивая организация".

По словам Хайнца, одна из самых больших проблем сводится к моделям. Его исследовательская группа использует эти инструменты для моделирования новых видов материалов в масштабе от нескольких сотен до миллионов атомов. Но создание таких крошечных дизайнов и масштабирование их до размеров того, что вы действительно можете видеть, становится все более сложной задачей.

"От масштаба атомов до миллиметра или даже сантиметра в природных материалах существует так много уровней организации", - сказал Хайнц.

Хайнц отметил, что НАСА недавно инвестировало в изучение иерархически спроектированных материалов для аэрокосмических применений, таких как более прочные и легкие панели из наноструктурированного углерода для использования в космических аппаратах для доставки жизненных припасов на Марс. Хайнц, например, является частью проекта стоимостью 15 миллионов долларов, финансируемого НАСА для изучения такого рода "сверхпрочных композитов".

Инженеры, добавил он, также открывают новые способы получения нанокомпозитов в больших количествах в производственных условиях. Сегодня исследователи часто используют такие инструменты, как 3D-принтеры, для изготовления этих материалов, укладывая их капля за каплей.

Хайнц, Цукрук, Непал и их коллеги настроены оптимистично. Они сообщают, что у природы были миллионы лет, чтобы научиться максимально эффективно создавать такие материалы, как чешуя панголина или перламутр устрицы. Инженеры могут использовать подсказки ящеров и устриц для создания материалов, не создавая при этом большого количества вредных отходов.

"Если мы будем учиться у природы, мы сможем найти альтернативы многим современным энергоемким производственным процессам или опасным химическим веществам", - сказал Хайнц.

Кришан Канхайя, недавний аспирант кафедры химической и биологической инженерии университета Боулдера, также выступил в качестве соавтора нового исследования. Среди других соавторов - исследователи из Технологического института Джорджии; Университета Карнеги-Меллона; Университета Дьюка; Массачусетского технологического института; Университетского колледжа Лондона; Университета Джона Хопкинса; Университета Дикина; Университета Тафтса; Мичиганского университета; Кембриджского университета; Оксфордского университета; Калифорнийского университета в Сан-Диего; и Университета Райса.