Изготовление биомиметических материалов

Инженеры по материалам потратили десятилетия, измеряя состав, структуру и свойства природных материалов, таких как кости и яичная скорлупа, поэтому теперь мы хорошо понимаем их характеристики.

Например, мы знаем, что кость состоит из гидратированного белка и минерала в почти равных пропорциях. Минерал придает жесткость и твердость, в то время как белок придает прочность и устойчивость к разрушению. Хотя кости могут ломаться, это относительно редко, и у них есть преимущество в самовосстановлении — еще одна особенность, которую инженеры пытаются привнести в биомиметические материалы.

Как и кость, яичная скорлупа является композитным материалом, но в ней содержится около 95% минерала и только 5% гидратированного белка. Тем не менее, даже этого небольшого количества белка достаточно, чтобы сделать яичную скорлупу очень жесткой, учитывая ее тонкость — как заметили большинство поваров на завтрак. Следующая задача — превратить эти знания во что-то твердое.

Есть два способа имитировать натуральные материалы. Либо вы можете имитировать состав самого материала, либо вы можете скопировать процесс, с помощью которого материал был изготовлен. Поскольку натуральные материалы производятся живыми существами, в этих методах нет высоких температур. Таким образом, биомиметические материалы — назовем их «нео-кость» и «нео-яичная скорлупа» — потребляют гораздо меньше энергии, чем сталь или бетон.

В лаборатории нам удалось сделать образцы нео-кости в сантиметровом масштабе. Мы делаем это, готовя различные растворы белка с компонентами, которые делают костный минерал. Затем из этих растворов осаждается композитный неокостный материал биомиметическим способом при температуре тела. Нет никаких причин, по которым этот процесс — или его улучшенную, более быструю версию — нельзя было бы расширить до промышленного уровня.

Конечно, сталь и бетон есть везде, поэтому то, как мы проектируем и строим здания, оптимизировано для этих материалов. Чтобы начать использовать биомиметические материалы в больших масштабах, нам необходимо полностью переосмыслить наши строительные нормы и стандарты для строительных материалов. Но тогда, если мы хотим строить города будущего устойчивым образом, возможно, серьезное переосмысление именно то, что нужно. Наука все еще находится в зачаточном состоянии, но это не значит, что мы не можем мечтать о будущем.