Bio-inspirierte Materialien - Anleihen aus dem Naturbuch

Anonim

Die Natur bietet unzählige Beispiele für einzigartige Materialien und Strukturen, die für spezielle Anwendungen oder Anpassungen entwickelt wurden. Eine interdisziplinäre Gruppe von Forschern am Ames-Labor des US-Energieministeriums versucht, die Geheimnisse zu entschlüsseln, die Organismen für den Aufbau solch komplexer Strukturen nutzen, damit Energie zur Erzeugung von Materialien genutzt werden kann, die nicht in der Natur vorkommen und nicht mit konventionellen Mitteln synthetisiert werden können.

"Die Natur hat viele Beispiele für diese hierarchischen Strukturen und sie sind in der Regel organisch-anorganische Verbundwerkstoffe", sagte Surya Mallapragada, Ames Laboratory Wissenschaftler und Iowa State University Carol Vohs Johnson Lehrstuhl für Chemie und Bioingenieurwesen. "Ein gläsernes Meeresschwammskelett ist ein perfektes Beispiel für diese Strukturen, die durch die organische Phase templiert werden. Sie haben anorganische Nanokristalle, die sich bilden, und es ist ein Multiskalen-Montageprozess, der in den meisten Fällen bei milden Temperaturen und Bedingungen wie pH stattfindet."

"Daher betrachten wir die Natur als Inspiration und als Quelle von Biomolekülen, um zu sehen, wie wir einige dieser Prozesse, die diese wunderbaren Materialien mit hierarchischen Anordnungen oder einer einheitlichen Struktur erzeugen, nachbilden können", sagte sie über die Forschung, die vom DOE finanziert wird -BES-Programm für biomolekulare Materialien.

Bis jetzt war das Team von Mallapragada in der Lage, die Bildung von Magnetit durch Untersuchung magnetotaktischer Bakterien nachzubilden. Diese Bakterien bilden magnetische Nanokristalle oder Nanokristallketten, mit denen sie sich mit dem Erdmagnetfeld orientieren. Mit selbstorganisierenden Polymermatrizen und Proteinen aus den Bakterien konnten die Forscher Magnetitkristalle züchten.

"Wir haben diesen Ansatz erfolgreich verwendet, um Magnetit-Nanokristalle zu züchten", sagte Mallapragada, "aber wir haben darüber hinaus mit diesen Techniken Kobaltferrit und andere magnetische Nanokristalle, die in der Natur nicht vorkommen, entwickelt. Das ist ein großartiges Beispiel für Templates Synthese."

Die Gruppe hat auch mit Kalziumphosphat gearbeitet, um zu versuchen, die leichte Stärke zu imitieren, die in den Knochen gefunden wird.

"In einigen Fällen müssen wir synthetische Analoga entwickeln, die die gleiche Arbeit leisten können, aber robuster sind", sagte Mallapragada. "In vielen Fällen sind die Biomoleküle nicht so robust. Proteine ​​sind zerbrechliche Moleküle. Wenn wir es mit synthetischen Polymeren machen können, gibt uns das viel mehr Flexibilität."

Es ist eine Sache, Nanokristalle zu erzeugen. Diese Nanokristalle zu organisieren und dann Mikrostrukturen und dann makroskopische Strukturen zu bilden, ist etwas ganz anderes.

"Sie sind nicht auf der Ebene der Komplexität, die wir in der Natur sehen - das ist der Heilige Gral", erklärte Mallapragada, "aber das ist die Inspiration und wir versuchen, mit synthetischen Ansätzen dorthin zu gelangen."

Das neueste Ziel für die Nutzung dieses natürlichen Bauprozesses ist die Herstellung von Metamaterialien, sogenannten linkshändigen Materialien, die interessante optische Eigenschaften aufweisen, die in der Natur nicht vorkommen.

"Wir betrachten organische Schablonen, um anorganische Partikel zusammenzubauen, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten", so Mallapragada. "Wir haben eine sehr enge Zusammenarbeit mit den Physikern Costas Soukoulis und Thomas Koschny von Ames Laboratory, und sie haben wunderbare Arbeit mit Simulationen und Vorhersagen von Strukturen geleistet und einige Lithographiestrukturen entwickelt, aber diese sind nur zweidimensional. Es ist also wirklich perfekt Fall für die Verwendung dieser bioinspirierten Ansätze zur Selbstorganisation dieser Metamaterialien zu 3-D-Strukturen. "

Mallapragada verweist erneut auf den Glasschwamm für die Art von Multiskalen, die für den Bau von 3-D-Metamaterialien benötigt werden.

"Der Seeschwamm hat eine Ordnung auf mehreren Skalen - nanoskalig, Mikrometerskala, Millimeterskala. Es ist eine Multiskalenanordnung - es sieht aus wie der Eiffelturm - und deshalb hat es ein sehr großes Stärke-Gewichts-Verhältnis", sagte sie. "Wir brauchen also eine ähnliche Hierarchie. Definieren Sie die Formen auf der Nanoskala, aber ordnen Sie diese nanoskaligen Objekte geordnet in 2D und dann in 3D, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten."

Zusätzlich zur Verwendung selbstorganisierender Polymere, die eine weitreichende Ordnung bereitstellen, wurde auch DNA verwendet, weil sie eine Spezifität bei der Platzierung von Nanopartikeln ermöglicht. Um Metamaterialien zu erzeugen, untersucht das Team beide, um die Platzierung von Goldnanopartikeln in einem bestimmten Muster zu steuern, Schichten aufzubauen und dann eine Goldfilmbeschichtung auf die gesamte Struktur aufzutragen, um die gewünschten Eigenschaften zu erhalten.

"Es erfordert einen sehr interdisziplinären Ansatz", sagte Mallapragada. "Wir haben Molekularbiologen (Marit Nilsen-Hamilton) für die DNA-Seite, Materialchemiker (Mallapragada) für die Polymersynthese, Soukoulis und Koschny für die theoretische Vorhersage der Strukturen und (Physiker) Alex Travesset für die Modellierung der Arten von Strukturen können wir bekommen."

"Wir brauchen eine gute Charakterisierung, so dass David Vaknin Streumethoden betrachtet und Tanya Prozorov Transmissionselektronenmikroskopie gemacht hat", fuhr sie fort. "Andy Hillier (Chemical / Biological Engineer) war an der Metallisierung beteiligt, indem er den kontinuierlichen Goldfilm auf diese nanostrukturierten Templates auftrug. Es handelt sich also um einen mehrstufigen, mehrstufigen, mehrkomponentigen synthetischen Prozess."

Mutter Natur sollte geschmeichelt werden!

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