Biofilms worden over het algemeen gezien als een probleem dat moet worden uitgeroeid vanwege de gevaren die ze vormen voor mens en materiaal. Echter, deze gemeenschappen van algen, schimmels of bacteriën bezitten zowel wetenschappelijk als technisch interessante eigenschappen. Een team van de Technische Universiteit van München (TUM) beschrijft processen uit de biologie die biofilms gebruiken om structurele sjablonen te creëren voor nieuwe materialen die de eigenschappen van natuurlijke materialen bezitten. Vroeger, dit was slechts in beperkte mate mogelijk.

Gedurende miljoenen jaren, natuurlijke materialen als hout, been en parelmoer zijn via evolutie geoptimaliseerd volgens het principe van aangepaste stabiliteit met een zo laag mogelijk gewicht. De natuur heeft veel technische ontwikkelingen geïnspireerd. Voorbeelden zijn vliegtuigvleugels, ritsen en oppervlaktekitten met een lotuseffect. Echter, reverse engineering kan de structurele complexiteit van het origineel in de natuur niet reproduceren.

"In de natuur, we vinden veel materialen met eigenschappen die kunstmatige materialen niet op exact dezelfde manier kunnen repliceren, " zei professor Cordt Zollfrank, die samen met zijn team onderzoek doet naar basisprincipes voor de ontwikkeling van nieuwe materialen bij de leerstoel Biogene Polymers op de TUM Campus Straubing for Biotechnology and Sustainability.

Grootste problemen op het kleinste niveau

Als de interface tussen biologie en technologie, bionics maakt gebruik van in de natuur gevonden methoden en systemen om technische problemen op te lossen. Toen het nog beperkt was tot het gebruik van natuurlijke vormen, bijv. als sjablonen voor ontwikkeling in het ontwerp van vliegtuigvleugels of scheepsrompen, de problemen bleven beheersbaar. Echter, het nabootsen van de materiaaleigenschappen van natuurlijke bouwmaterialen is een heel ander verhaal. Dit komt omdat ze worden gevonden in de innerlijke structuren, waar vezels met elkaar zijn verbonden over verschillende ordes van grootte en over verschillende hiërarchische niveaus.

"Gebruikelijk, de belangrijkste bronnen van mechanische materiaaleigenschappen zoals elasticiteit, kracht en taaiheid worden gevonden op het kleinste niveau van deze hiërarchieën, vooral op nanometerschaal, " verklaarde Dr. Daniel Van Opdenbosch, een teamleider aan de stoel van Zollfrank en een van de auteurs van het artikel, het beschrijven van het belangrijkste probleem bij een poging om ze te vertalen naar technische oplossingen. Echter, wanneer de micro-organismen zelf of hun afscheidingen het materiaal creëren, de technisch geavanceerde complexe netwerken zijn al volledig gevormd.

De toekomst van bionica

In een artikel voor het tijdschrift Geavanceerde materialen , de onderzoekers van TUM presenteren een reeks procedures uit het veld van de biologie die gebruik maken van licht, warmte, speciaal geprepareerde ondergronden, en andere stimuli om de bewegingsrichting van micro-organismen langs zeer specifieke paden te leiden. "Deze biologische bevindingen voor het beheersen van microben via gerichte stimuli zullen de toekomst van materiaalonderzoek vormgeven, " zei professor Cordt Zollfrank. Dit komt omdat ze het mogelijk maken om op maat gemaakte sjablonen te maken voor nieuwe materialen met natuurlijke structuren van de microben zelf of hun afscheidingen. "Met ons artikel, we willen de richting laten zien die deze reis ons zal brengen op het gebied van biologisch geïnspireerde materiaalwetenschap, ’ zei de professor.

Contactloos modelleren

Daniel Van Opdenbosch en zijn groep passen al enkele van deze methoden met succes toe in Straubing. Als onderdeel van een Reinhart Koselleck-project van de Duitse Onderzoeksstichting (DFG), de onderzoekers profiteren van de bijzondere eigenschappen van rode algen, waarvan de bewegingsrichting afhankelijk is van blootstelling aan licht, en die ketens afscheiden van suikermoleculen. Door lichtpatronen te projecteren die in de loop van de tijd veranderen in het groeimedium van de algen, de onderzoekers gebruiken ze om lange, fijne polymeerdraden, die dienen als aangepaste sjablonen voor de vervaardiging van functionele keramiek.

Met behulp van de algen, een willekeurig aantal sjablonen kan worden gemaakt voor een breed scala aan toepassingen, variërend van batterij-elektroden tot nieuwe scherm- en weergavetechnologieën tot toepassingen in de geneeskunde, zoals vervangend bot en weefsel. Hoewel het vermogen om complexe microstructuren zoals complete componenten en andere hiërarchisch gestructureerde materialen te laten groeien in de toekomst nog ver weg is, het zou snel een tastbare realiteit kunnen worden dankzij het basisonderzoek van de onderzoekers van Straubing.