Wetenschap
Wat vuurmieren ons kunnen leren over het maken van betere zelfherstellende materialen
Vuurmieren vormen vlotten om overstromingen te overleven, maar hoe werken die verbindingen? En wat kunnen wij van hen leren? Een professor aan de Binghamton University, State University of New York onderzoekt deze vragen om onze kennis van de materiaalkunde uit te breiden.
Wanneer een gebied waar vuurmieren leven wordt getroffen door een overstroming, is hun overlevingsreactie het aaneengrijpen om een drijvend ‘vlot’ te vormen dat drijft en de kolonie verenigd houdt. Zie het als een gecondenseerd, adaptief materiaal waarin de bouwstenen – individuele mieren – daadwerkelijk leven.
Binghamton University assistent-professor Rob Wagner leidde een onderzoek als onderdeel van het Vernerey Soft Matter Mechanics Lab aan de Universiteit van Colorado Boulder, waarin onderzoekers de adaptieve respons van deze levende vlotten onderzochten. Het doel is om te begrijpen hoe ze autonoom veranderen en hun mechanische eigenschappen veranderen, en vervolgens de eenvoudigste en nuttigste ontdekkingen in kunstmatige materialen te verwerken.
"Levende systemen hebben mij altijd gefascineerd, omdat ze dingen bereiken die onze huidige technische materialen niet kunnen bereiken - zelfs niet kunnen bereiken", zei hij. "Wij vervaardigen polymere systemen, metalen en keramiek in bulk, maar die zijn passief. De bestanddelen slaan geen energie op en zetten deze vervolgens om in mechanisch werk, zoals elk levend systeem dat doet."
Wagner beschouwt deze opslag en omzetting van energie als essentieel voor het nabootsen van het slimme en adaptieve gedrag van levende systemen.
In hun meest recente publicatie in de Proceedings of the National Academy of Sciences , Wagner en zijn co-auteurs van de Universiteit van Colorado onderzochten hoe vuurmierenvlotten reageerden op mechanische belasting wanneer ze werden uitgerekt, en ze vergeleken de reactie van deze vlotten op dynamische, zelfherstellende polymeren.
"Veel polymeren worden bij elkaar gehouden door dynamische bindingen die breken, maar zich kunnen hervormen", aldus Wagner. ‘Als ze langzaam genoeg worden getrokken, hebben deze bindingen de tijd om het materiaal te herstructureren, zodat het – in plaats van te breken – vloeit als het slijm waarmee onze kinderen spelen, of als softijsje. Als ze heel snel worden getrokken, breekt het echter meer als krijt. . Omdat de vlotten bij elkaar worden gehouden door mieren die zich aan elkaar vastklampen, kunnen hun banden breken en hervormen. Dus mijn collega's en ik dachten dat ze hetzelfde zouden doen."
Maar Wagner en zijn medewerkers ontdekten dat, ongeacht de snelheid waarmee ze de mierenvlotten trokken, hun mechanische reactie vrijwel hetzelfde was en dat ze nooit stroomden. Wagner speculeert dat de mieren hun greep reflexmatig aanspannen en verlengen als ze kracht voelen, omdat ze bij elkaar willen blijven. Ze wijzen hun dynamische gedrag af of zetten het uit.
Dit fenomeen van banden die sterker worden als er kracht op wordt uitgeoefend, wordt catch bond-gedrag genoemd, en het verbetert waarschijnlijk de cohesie voor de kolonie, wat logisch is om te overleven.
"Als je met enige kracht aan typische bindingen trekt, laten ze eerder los, en hun levensduur neemt af. Je verzwakt de band door eraan te trekken. Dat is wat je ziet in bijna elk passief systeem, ' zei Wagner.
“Maar in levende systemen kun je, vanwege hun complexiteit, soms bindingen hebben die langer standhouden onder een bepaald bereik van uitgeoefende kracht. Sommige eiwitten doen dit mechanistisch en automatisch, maar het is niet alsof de eiwitten een beslissing nemen. zijn gewoon zo gerangschikt dat wanneer er kracht wordt uitgeoefend, deze bindingsplaatsen zichtbaar worden die vastklikken of 'vangen'."
Wagner gelooft dat het nabootsen van deze catch-bonds in technische systemen zou kunnen leiden tot kunstmatige materialen die autonome, plaatselijke zelfversterking vertonen in gebieden met hogere mechanische spanning. Dit zou de levensduur van biomedische implantaten, lijmen, vezelcomposieten, zachte robotcomponenten en vele andere systemen kunnen verlengen.
Collectieve insectenverzamelingen zoals vuurmierenvlotten inspireren onderzoekers al om materialen te ontwikkelen met op stimuli reagerende mechanische eigenschappen en gedrag. Een artikel in Natuurmaterialen eerder dit jaar – onder leiding van het Ware Responsive Biomaterials Lab in Texas A&M en met bijdragen van Wagner en zijn voormalige scriptieadviseur, professor Franck J. Vernerey – demonstreert hoe linten gemaakt van speciale gels of materialen die vloeibare kristalelastomeren worden genoemd, kunnen oprollen als gevolg van verhitting, en vervolgens met elkaar verstrengelen om gecondenseerde, vaste structuren te vormen die door deze mieren zijn geïnspireerd
"Een natuurlijk vervolg van dit werk is het beantwoorden van de vraag hoe we de interacties tussen deze linten of andere zachte bouwstenen kunnen laten 'vangen' onder belasting, zoals de vuurmieren en sommige biomoleculaire interacties doen," zei Wagner.