De natuur heeft één heel groot voordeel ten opzichte van elk menselijk onderzoeksteam:veel tijd. Miljarden jaren, in feite. En al die tijd, het heeft een aantal werkelijk verbazingwekkende materialen geproduceerd - met behulp van zwakke bouwstenen die menselijke ingenieurs nog niet hebben ontdekt hoe ze te gebruiken voor hightech-toepassingen, en met veel eigenschappen die mensen nog moeten vinden om te dupliceren.

Maar nu zijn een aantal onderzoekers, zoals MIT-professor Markus Buehler, begonnen deze processen op een diep niveau te ontrafelen, niet alleen uitvinden hoe de materialen zich gedragen, maar ook wat de essentiële structurele en chemische eigenschappen zijn die ze hun unieke eigenschappen geven. In de toekomst, ze hopen die structuren na te bootsen op manieren die nog betere resultaten opleveren.

Het komt allemaal neer op het samenstellen van complexe constructies uit kleine, eenvoudige bouwstenen, Bühler legt uit. Hij gebruikt graag een muzikale analogie:een symfonie bestaat uit veel verschillende instrumenten, die elk op zichzelf nooit zoiets groots en complexs zouden kunnen voortbrengen als de gecombineerde rijken, volledige muzikale ervaring. Op een soortgelijke manier, hij hoopt complexe materialen te construeren met voorheen niet-beschikbare eigenschappen door gebruik te maken van eenvoudige bouwstenen die zijn samengesteld op manieren die lenen van die welke door de natuur worden gebruikt.

menselijke ingenieurs, hij legt uit, hebben ten minste één belangrijk voordeel ten opzichte van de natuur:ze kunnen hun materialen kiezen. Natuur, daarentegen, heeft vaak te maken met wat lokaal gemakkelijk verkrijgbaar is, en welke structuren dan ook zijn gecreëerd door de langdurige trial-and-error van evolutie. “Een spin of een cel, "Bühler zegt, “heeft geen geweldige middelen. Het kan geen materialen importeren, het maakt gebruik van wat beschikbaar is.”

In biologische materialen zoals spinrag, de geometrie van de constructies maakt het verschil. Zijde, een onderwerp van eerdere studies door Buehler en zijn collega's, bestaat uit moleculen die in henzelf, inherent zwak, maar de basisschijfvormige moleculen worden gecombineerd tot kleine stapels, die op hun beurt worden gecombineerd tot verknoopte vezels op een manier die het geheel veel sterker maakt dan de samenstellende delen. Ingenieurs kunnen het een en ander leren van dergelijke constructies, Bühler suggereert, met hun verschillende arrangementen op verschillende schalen. “Als we erachter komen hoe we dingen op meerdere schalen kunnen ontwerpen, we hebben geen fancy bouwstenen nodig, ' zegt hij.

Peter Fratzl, een materiaalwetenschapper aan het Max Planck Instituut voor Colloïden en Interfaces in Duitsland, ziet grote belofte in deze aanpak. “Het is niet zozeer de chemische samenstelling die echt telt, maar de manier waarop de componenten (die intrinsiek slecht kunnen zijn) met elkaar worden verbonden, ' zegt hij. "Het ontrafelen van deze structurele principes vereist zowel experimentele als theoretische benaderingen die vele lengteschalen omvatten, van de grootte van moleculen tot complete organen.” Tot dusver, het onderzoek was vooral aan de theoretische kant, maar Buehler en anderen hopen ook door te gaan met experimenteel werk.

Deze ontwerpbenadering houdt niet alleen de belofte in van het creëren van materialen met grote kwaliteiten van sterkte, of rekbaarheid, of met nuttige optische of elektrische eigenschappen, maar ook voor het gebruik van materialen waarvan men nu denkt dat ze weinig nut hebben, of zelfs afvalproducten.

Hiërarchische structuren

De sleutel tot het maken van sterke materialen van zwakke componenten, Buehler heeft gevonden, ligt in de manier waarop kleine stukjes op verschillende manieren op verschillende schalen in grotere patronen worden gerangschikt - met andere woorden, in een hiërarchische set van structuren. “Dit paradigma, de vorming van een duidelijke structuur op meerdere lengteschalen, stelt biologische materialen in staat om de intrinsieke zwakheden van de bouwstenen te overwinnen, ’ schreef hij in een artikel dat deze maand in het tijdschrift verschijnt Nano vandaag .

De meeste structurele materialen ontworpen door mensen, aan de andere kant — staal, bakstenen, mortel - hebben eenvoudige structuren die niet variëren met schaal, hoewel sommige composietmaterialen en structuren die zijn opgebouwd uit componenten zoals koolstofnanobuizen, op zijn minst enige differentiatie van structuur met schaal beginnen te implementeren. Maar Buehler ziet dit als een gebied dat rijp is voor veel geavanceerdere en complexere nieuwe ontwerpen.

Buehler suggereert dat, net zoals de biologie heeft gedaan, mensen kunnen materialen met gewenste eigenschappen zoals sterkte of flexibiliteit construeren door overvloedige en goedkope materialen te gebruiken zoals silica, die in bulkvorm broos en zwak is. “Het ontwerp van hiërarchische structuren zou de sleutel kunnen zijn om hun intrinsieke zwakte of broosheid te overwinnen, eigenschappen die momenteel hun wijdverbreide technologische toepassing in de weg staan, ', schreef hij in de Nano Today-krant. Door gebruik te maken van slim ontworpen constructies, hij stelt voor, mensen moeten materialen kunnen maken met bijna alle gewenste eigenschappen, zelfs met een zeer beperkte, en "bijna willekeurige" set componenten.

“We proberen computermodellen te ontwikkelen, "zegt hij, "zodat we voorspellingen kunnen doen" over de eigenschappen van materialen die zijn gebouwd op manieren die nog nooit eerder zijn gemaakt. “Als ingenieurs, we hebben modellen voor het maken van een auto, of een gebouw, ' zegt hij. Maar voor het ontwerpen van de basisstructuren van nieuwe materialen, de technologie van vandaag "bevindt zich echt in een kinderstadium." Maar naarmate dergelijke modellen worden ontwikkeld, zegt hij zelfverzekerd "we kunnen veel beter dan biologie."