De natuur biedt talloze voorbeelden van unieke materialen en structuren die zijn ontwikkeld voor gespecialiseerde toepassingen of aanpassingen. Een interdisciplinaire groep onderzoekers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie probeert de geheimen te ontrafelen die organismen gebruiken om dergelijke complexe structuren te bouwen, zodat kracht kan worden gebruikt om materialen te creëren die niet in de natuur voorkomen en die niet met conventionele middelen kunnen worden gesynthetiseerd.

"De natuur heeft veel voorbeelden van deze hiërarchische structuren en het zijn meestal organisch-anorganische composietmaterialen, " zei Surya Mallapragada, Ames Laboratory-wetenschapper en Iowa State University Carol Vohs Johnson Chair in Chemical and Biological Engineering. "Een glazen zeesponsskelet is een perfect voorbeeld van deze structuren die worden gevormd door de organische fase. Je hebt anorganische nanokristallen die zich vormen en het is een assemblageproces op meerdere schalen, wat in de meeste gevallen gebeurt bij milde temperaturen en omstandigheden, zoals pH."

"Dus we kijken naar de natuur voor inspiratie en als een bron van biomoleculen om te zien hoe we sommige van die processen kunnen recreëren die deze prachtige materialen creëren met hiërarchische samenstellingen of uniforme structuur, " zei ze over het onderzoek dat wordt gefinancierd door het DOE-BES Biomolecular Materials Program.

Tot dusver, Het team van Mallapragada heeft de vorming van magnetiet kunnen repliceren door magnetotactische bacteriën te bestuderen. Deze bacteriën vormen magnetische nanokristallen of ketens van nanokristallen waarmee ze zich oriënteren op het aardmagnetisch veld. Met behulp van zelfassemblerende polymeersjablonen en eiwitten uit de bacteriën, onderzoekers waren in staat om magnetietkristallen te laten groeien.

"We hebben deze aanpak met succes gebruikt om magnetiet-nanokristallen te laten groeien, " Mallapragada zei:"maar we zijn verder gegaan dan dat, deze technieken gebruiken om kobaltferriet en andere magnetische nanokristallen te maken die niet in de natuur voorkomen. Dat is een geweldig voorbeeld van synthese op basis van een sjabloon."

De groep heeft ook gewerkt met calciumfosfaat om te proberen de lichtgewicht kracht van botten na te bootsen.

"In sommige gevallen, we moeten synthetische analogen bedenken die hetzelfde werk kunnen doen, maar zijn robuuster, " zei Mallapragada. "In veel gevallen, de biomoleculen zijn niet zo robuust. Eiwitten zijn fragiele moleculen, dus als we het kunnen doen met synthetische polymeren, dat geeft ons veel meer flexibiliteit."

Het is één ding om nanokristallen te maken. Het is iets heel anders om die nanokristallen vervolgens te ordenen en microstructuren te vormen en vervolgens structuren op macroschaal.

"Ze zijn niet op het niveau van complexiteit dat we in de natuur zien - dat is de Heilige Graal, " legde Mallapragada uit, "maar dat is de inspiratie en we proberen daar te komen met synthetische benaderingen."

Het nieuwste doel om dit natuurlijke bouwproces te benutten, is het creëren van metamaterialen, zogenaamde linkshandige materialen die interessante optische eigenschappen hebben die in de natuur niet voorkomen.

"We kijken naar het gebruik van organische sjablonen om anorganische deeltjes samen te stellen om de gewenste eigenschappen te verkrijgen, " Mallapragada. "We hebben een zeer sterke samenwerking met Ames Laboratory-fysici Costas Soukoulis en Thomas Koschny, en ze hebben prachtig werk gedaan met simulaties en voorspellingen van structuren en een aantal lithografische structuren ontwikkeld, maar die zijn slechts 2D. Dus het is echt een perfect geval om deze bio-geïnspireerde benaderingen te gebruiken om deze metamaterialen zelf te assembleren tot 3D-structuren."

Mallapragada wijst opnieuw op de glazen zeespons voor het type multischaalassemblage dat nodig is om 3D-metamaterialen te bouwen.

"De zeespons heeft orde op meerdere schalen - nanoschaal, micron-schaal, millimeterschaal. Het is een assemblage met meerdere schalen - het lijkt op de Eiffeltoren - en daarom heeft het een zeer goede verhouding tussen sterkte en gewicht, "zei ze. "Dus we hebben een vergelijkbare hiërarchie nodig. Definieer de vormen op nanoschaal, maar zorg dan voor een geordende rangschikking van deze nanoschaalobjecten in 2D en vervolgens in 3D om de gewenste eigenschappen te krijgen."

Naast het gebruik van zelfassemblerende polymeren, die zorgen voor orde op lange termijn, DNA is ook gebruikt omdat het specificiteit mogelijk maakt bij de plaatsing van nanodeeltjes. Om metamaterialen te maken, het team kijkt naar het gebruik van beide om de plaatsing van gouden nanodeeltjes in een specifiek patroon te regelen, bouw lagen op en breng vervolgens een gouden filmcoating aan op de hele structuur om de gewenste eigenschappen te verkrijgen.

"Het vergt een zeer interdisciplinaire benadering, " zei Mallapragada. "We hebben moleculair biologen (Marit Nilsen-Hamilton) voor de DNA-kant, materiaalchemici (Mallapragada) voor de polymeersynthese, Soukoulis en Koschny voor de theoretische voorspelling van de structuren en (natuurkundige) Alex Travesset voor het modelleren van de soorten structuren die we kunnen krijgen."

"We hebben goede karakterisering nodig, dus David Vaknin kijkt naar verstrooiingsmethoden en Tanya Prozorov heeft transmissie-elektronenmicroscopiewerk gedaan, " vervolgde ze. "Andy Hillier (chemisch/biologisch ingenieur) is betrokken geweest bij metallisatie, het aanbrengen van de continue film van goud op die nanogestructureerde sjablonen. Het is dus een multi-level, meerstaps, synthetisch proces met meerdere componenten."

Moeder Natuur moet gevleid zijn!