De natuur biedt unieke inzichten in ontwerpstrategieën die zijn ontwikkeld door levende organismen om robuuste materialen te construeren. In dit geval, de onderzoeksgroep kon een nieuw slagvast materiaal maken, geïnspireerd op de dactyl-club van de bidsprinkhaangarnaal. Het nieuwe materiaal kan worden gebruikt in toepassingen die bestand moeten zijn tegen herhaalde schokken met hoge spanningssnelheden, terwijl de structurele integriteit behouden blijft. De onderzoeksresultaten zijn op 1 september 2021 gepubliceerd in Geavanceerde materialen .

Een onderzoeksgroep bij VTT's is erin geslaagd een gemineraliseerde biocomposiet te ontwerpen en te produceren met een hoge sterkte, stijfheid, en breuktaaiheid die lijkt op het architecturale ontwerp van de dactyl-club van de bidsprinkhaangarnaal.

"Deze betoverende garnalen zijn een van de dodelijkste moordmachines van de natuur. In verhouding tot hun kleine formaat, ze hebben de sterkste stoot in het dierenrijk. Ze verpletteren hun prooi door een paar hamerachtige roofvogelaanhangsels te werpen met een enorme snelheid en kracht die groter is dan geweerkogels tijdens jacht op korte afstand, " legt Dr. Pezhman Mohammadi uit, Onderzoekswetenschapper bij VTT. "De belangrijkste voedselbronnen van de bidsprinkhaangarnaal zijn mariene organismen met harde schaal, zoals weekdieren. Om bij de zachte te komen, voedzaam deel vernietigen ze dwars door deze sterk gemineraliseerde exoskeletten."

Eerdere studies hebben aangetoond dat de club een meerfasig hiërarchisch geordend nanocomposiet is met graduele mechanische eigenschappen. "De club heeft een zachte binnenlaag die zorgt voor energieafvoer en een stijve, moeilijk, en slagvaste buitenlaag. Samen, de lagen verbeteren de algehele schadetolerantie van de club. Beide lagen hebben vergelijkbare bouwstenen, maar in verschillende relatieve inhoud, polymorfe vorm, en organisatie. De belangrijkste bouwsteen zijn helicoïdaal geordende chitine-nanofibrillen die aan elkaar zijn gelijmd door een eiwitrijke matrix, " vertelt Mohammed.

Combinatie van nanokristallen van cellulose en eiwitten

De onderzoeksgroep repliceerde deze structuur door gebruik te maken van vergelijkbare bouwstenen en verwerkingsomstandigheden. Ze monteerden een nieuwe composiet, die bestaat uit nanokristallen van cellulose en twee soorten genetisch gemanipuleerde eiwitten. Eén eiwit is ontworpen om de grensvlaksterkte van het materiaal te vergroten en het andere om kiemvorming en groei van hydroxyapatietkristallen te bemiddelen. Dit nieuwe composiet werd verwerkt tot ingewikkelde vormen door het te vervaardigen tot een kroon van een tandheelkundig implantaat met periodieke patronen van microversterkingsoriëntatie, en een dubbellaagse architectuur vergelijkbaar met menselijke tanden. Met verder onderzoek, de eiwitten zouden kunnen worden gemanipuleerd om nieuwe eigenschappen aan het materiaal te geven.

Voor toekomstige toepassingen, de schaalbaarheid en verwerkingsomstandigheden van het materiaal moeten verder worden ontwikkeld.