In de editie van deze maand van Natuurkunde Wereld , een groep natuurkundigen beschrijft hoe unieke structuren in de natuurlijke wereld wetenschappers inspireren om nieuwe soorten materialen te ontwikkelen met ongekende eigenschappen.

Van plakband geïnspireerd op de tenen van gekko's tot een potentiële foutbestendige coating van vliegtuigen geïnspireerd op parelmoer, de aantrekkelijkheid draait om één concept:hiërarchisch ontwerp.

Wanneer materialen een hiërarchisch ontwerp hebben, de algemene structuur bestaat uit veel kleinere niveaus, of generaties, van constructies die, wanneer ze in elkaar gezet worden, buitengewone eigenschappen vertonen.

Bijvoorbeeld, het vermogen van gekko's om tegen verticale muren en over plafonds te lopen, is te danken aan de hiërarchische indeling van kleine vezels op hun tenen. Elke teen heeft een kussentje met harige vezels die eruit steken en die zich herhaaldelijk splitsen in fijnere en fijnere haartjes met afmetingen tot op nanoschaal.

Deze herhaalde splijting vergroot het oppervlak van de tenen aanzienlijk en helpt de teen van de gekko aan een oppervlak te fixeren.

Voordat deze natuurlijke structuren werden ontdekt, echter, architecten gebruikten deze hiërarchische benadering om enkele van de beroemdste gebouwen en constructies te ontwerpen die nog steeds overeind staan.

Het bekendste voorbeeld is misschien wel de Eiffeltoren, die voornamelijk bestaat uit kleine balken die samen grotere balken vormen, die weer combineren om nog grotere balken te creëren, enzovoort voor in totaal drie structurele generaties.

De Eiffeltoren werd gebouwd voor de Wereldtentoonstelling van 1889 en de ontwerpplannen van Gustav Eiffel betekenden dat tegen de tijd dat het gebouwd werd, materialen werden spaarzaam gebruikt. In feite, als je het ijzer van de hele toren zou omsmelten tot een massief blok met een basisoppervlak gelijk aan dat van de toren, het blok zou slechts 6 cm boven de grond staan.

Meer dan 100 jaar later, wetenschappers en ingenieurs kijken nu naar de meest efficiënte manier om deze hiërarchische benadering te gebruiken om exotische, door de mens gemaakte materialen te maken, metamaterialen genaamd.

In dit artikel, Daniel Rayneau-Kirkope, van de universiteit van Aalto, Yong Mao, van de Universiteit van Nottingham, en Robert Farr, van het London Institute of Mathematical Sciences, uitleggen hoe dit soort structuren kan worden geoptimaliseerd door de precieze relatie tussen structuur en functie te begrijpen.

De technologieën die nodig zijn om deze complexe ontwerpen te maken, vorderen snel. Sommige onderzoekers proberen een proces op industriële schaal te ontwikkelen om materialen te construeren die parelmoer nabootsen, ook wel parelmoer genoemd.

Parelmoer is een ongelooflijk sterk materiaal dat door sommige weekdieren als binnenschaal wordt geproduceerd; het vormt ook de buitenste laag van parels en heeft een breukweerstand die 3000 keer groter is dan die van kristallen.

"Door te beginnen met materialen die de natuur niet voor structurele doeleinden gebruikt, er is een kans dat de gunstige eigenschappen van paarlemoer en andere voorbeelden van natuurlijk voorkomend hiërarchisch ontwerp zelfs kunnen worden overtroffen door door de mens gemaakte composieten, ', schrijven de onderzoekers.