Najmocniejszy znany materiał w naturze zainspirował naukowców do stworzenia zielonej alternatywy dla Kevlaru.
Natura jest w stanie wyprodukować materiały o niewiarygodnej wytrzymałości, a pajęczy jedwab jest jednym z najbardziej znanych przykładów. W 2015 r. grupa naukowców dokonała przełomowego odkrycia w tej dziedzinie, wykazując, że zęby lepkich mięczaków zwanych skałoczepami mają w rzeczywistości największą wytrzymałość na rozciąganie ze wszystkich materiałów biologicznych. Czerpiąc inspirację z tych krzemiennych kłów, zespół wyprodukował kompozytowy biomateriał o ekstremalnej wytrzymałości, który może stanowić bardziej zrównoważoną alternatywę dla materiałów o wysokiej wydajności, takich jak Kevlar.
Skałoczepy (ang. limpets) to wodne ślimaki z muszlami w kształcie kapelusza, które wyjątkowo dobrze przylegają do skał wzdłuż linii brzegowej. Częścią tego nadmorskiego stylu życia jest skrobanie zębami po nierównych powierzchniach w celu zbierania glonów do karmienia. W tym tkwi sekret niezrównanej wytrzymałości tych stworzeń.
W 2015 roku naukowcy z University of Portsmouth wykorzystali mikroskopię sił atomowych do zbadania materiału zęba skałoczepa i przeanalizowania go na poziomie atomowym. Praca wykazała, że zęby skałoczepa mają wytrzymałość na rozciąganie od 3 do 6,5 gigapaskali (GPa). Dla porównania, pajęczy jedwab ma wytrzymałość na rozciąganie około 1,3 GPa, podczas gdy stal ma około 1,65 GPa. Naukowcy są przekonani, że powodem niewiarygodnej wytrzymałości zęba skałoczepa na rozciąganie jest gęsta sieć włókien chitynowych z rozsianymi drobnymi kryształami geotytu zawierającego żelazo.
Zespół stworzył teraz system, który umożliwia tworzenie podobnych struktur w laboratorium – rozpoczyna się od osadzania na wierzchu szkła pokrytego serum oraz chityny i tlenku żelaza. W ciągu dwóch tygodni te struktury same organizują się w narząd odpowiedzialny za tworzenie zębów mięczaków, zwany radulą. Wykorzystując kombinację izolowanych komórek raduli, próbek tkanek, zmineralizowanej chityny i techniki zwanej elektroprzędzeniem, naukowcy byli w stanie wyhodować wstęgi biomimetycznych zębów skałoczepa o szerokości pół centymetra (0,2 cala).
„Spędziłem sześć miesięcy przygotowując ten proces” – powiedział dr Robin Rumney, główny autor badań. „Przeszedłem przez każdy rodzaj permutacji, jaki mogłem wymyślić, aby określić, czego komórki mogą potrzebować i jak będą rosnąć. To bardzo różni się od hodowli bakterii lub komórek rakowych, które zwykle rosną w środowisku laboratoryjnym, więc musieliśmy pracować od zera, aby to zadziałało.”
Nowy biomateriał kompozytowy o ekstremalnej wytrzymałości może zająć ważne miejsce w dziedzinie materiałów syntetycznych. Jeśli zespołowi uda się z powodzeniem skalować ten proces, może on stanowić bardziej zrównoważoną alternatywę dla materiałów takich jak kevlar i plastik, których produkcja jest zasobożerna i niełatwo poddaje się recyklingowi.
„Całkowicie syntetyczne kompozyty, takie jak Kevlar, są szeroko stosowane, ale procesy produkcyjne mogą być toksyczne, a materiały trudne i drogie w recyklingu” – wyjaśnił Rumney. „Mamy tutaj materiał, który potencjalnie jest znacznie bardziej zrównoważony pod względem pochodzenia i wytwarzania, a pod koniec życia może ulec biodegradacji.”
Naukowcy zwracają teraz uwagę na optymalizację procesu i rozszerzenie go w celu produkcji syntetycznych zębów dla skałoczepów na skalę niezbędną do masowej produkcji.
„Naszym następnym krokiem jest znalezienie innych sposobów na powstawanie żelaza, więc badamy wydzieliny komórek skałoczepa, aby lepiej to zrozumieć” – powiedział Rumney. „Jeśli to zadziała naprawdę dobrze, to mamy już odczyty genów narządu, abyśmy mogli wyciągnąć interesujące nas geny i, miejmy nadzieję, umieścić je w bakteriach lub drożdżach, aby hodować je na dużą skalę. Oczywiście mamy teraz w oceanach kryzys tworzyw sztucznych i myślę, że to ładna symetria, której możemy nauczyć się od stworzenia morskiego, jak lepiej je chronić, zastępując tworzywa sztuczne substytutem biologicznym”.
Wyniki badań opublikowano w czasopiśmie Nature Communications.
➔ Obserwuj nas w Google News, aby być na bieżąco!
źródło: Uniwersytet Portsmouth | New Atlas
Od 2005 roku zajmuję się komunikacją internetową i e-marketingiem, jestem pasjonatem urządzeń mobilnych oraz nowych technologii – i nie waham się ich używać.