Insekty inspiracją dla nowego materiału

628px-Lyristes_plebejus

Coraz częściej w poszukiwaniu nowych, lepszych materiałów badacze sięgają do zasobów środowiska naturalnego. Jesteśmy bowiem w stanie wyprodukować niezwykłą gamę syntetycznych materiałów o najprzeróżniejszych właściwościach, a mimo to wciąż często umykają nam sztuczki, które stosuje natura do uzyskania materiałów o niezwykłych właściwościach. Te substancje są zazwyczaj wielofunkcyjne. Potrafią układać się same w skomplikowane konstrukcje i hierarchiczne struktury, w których formy wyższego rzędu mają właściwości, których nie da się przewidzieć na podstawie ich podstawowej budowy.

ResearchBlogging.orgI w ostatnich dwudziestu latach poczyniono niesamowite osiągnięcia na tym polu: pojawiły się takie cuda jak na przykład „samo-leczące” się kompozyty, hipodermiczne niepowodujące bólu przy ukłuciu igły, czy materiały lepne zainspirowane łapami gekonów. W grudniu zeszłego roku zaś, w piśmie Advanced Materials, dwóch amerykańskich badaczy z Harvardu opisało kolejny materiał: biodegradowalny kompozyt, który ma potencjał, by odmienić świat plastiku, w którym żyjemy.

Javier Fernandez i Donald Ingber z Instytutu Wyssa opisali w tej publikacji nowy materiał, dla którego inspiracją były pancerze insektów, skorupiaków i mięczaków. Jednym z głównych składników tych pancerzy jest cukrowy polimer – chityna. W skorupach i pancerzach jej włókna oddziałują z różnymi białkami, tworząc materiał, który z jednej strony jest niezwykle silny i wytrzymały, a z drugiej wciąż zachowuje się elastycznie. Od lat próbowano już wyprodukować materiały oparte na chitozanie (deacetylowanej pochodnej chityny, która jest od niej znacznie lepiej rozpuszczalna w wodzie) – w kombinacji z białkiem uzyskiwanym z jedwabiu, tzw. fibroiną. Niestety kompozyty produkowane do tej pory okazywały się często niewypałem.

Cykada zrzucająca chitynowy egzoszkielet. /źródło: wiki; Jodlet (CC BY-SA 2.0)

Ingber i Fernandez doszli do wniosku, że winą wyższego rzędu struktura tych kompozytów: te produkowane do tej pory, były chaotycznymi konglomeratami zawierającymi wymieszane losowo włókna cukrów i białka. W insekcich chitynowo-białkowych pancerzach te składniki są jednak ułożone w ściśle określony sposób – i to prawdopodobnie ta organizacja na równi z właściwościami chityny i towarzyszącej jej białek odpowiada za właściwości ochronne pancerzów. Badacze postanowili zatem spróbować wyprodukować nowy kompozyt w formie laminatu: chitozan w takim materiale układa się w wielu cieniutkich sprasowanych ze sobą warstwach.

Nowy materiał nazwany został przez nich shrilk, ponieważ chitozan uzyskuje się najczęściej i najtaniej z kruszonych pancerzy krewetek (ang. shrimps), zaś fibroinę, jak już powiedziałem, z jedwabiu (ang. silk). Shrilk okazał się być dziesięć razy silniejszym kompozytem niż te opisywane w literaturze do tej pory. Jest też ponad dwukrotnie trwalszy od samgo chitozanu. Wytrzymałością dorównuje stopom aluminiowym, jest jednak od nich, dzięki znacznie mniejszej gęstości, dużo lżejszy.

Wytrzymałość shrilku, jego niska gęstość, niski koszt produkcji, a przede wszystkim to, że zarówno chitozan jak i fibroina zostały już zaakceptowane przez amerykańską agencję FDA jako materiały do zastosowań medycznych, oznacza, że shrilk jest już teraz, zaledwie kilka miesięcy od opisania go po raz pierwszym, materiałem przez przemysł medyczny bardzo pożądanym i jest duża szansa, że znajdzie zastosowanie w materiałach opatrunkowych, w rozpuszczalnych niciach chirurgicznych oraz jako materiał wspomagający przy ciężkich operacjach wymagających regeneracji tkanek.

Znacznie ciekawszym jednak, z szerszego punktu widzenia, aspektem shrilku jest jego potencjalne zastosowanie w zastępstwie plastiku. Nie tylko bowiem jest on wytrzymały i elatyczny, ale w odróżnieniu od ton plastiku zalegujących ziemskie wysypiska, które będą degradować się powoli jeszcze w czasach, gdy wnuki naszych wnuków będą podbijać sąsiednie galaktyki, shrilk ulega biodegradacji, zaś jego składniki mogą być z powodzeniem używane do użyźniania gleby.

Chen, P., McKittrick, J., & Meyers, M. (2012). Biological materials: Functional adaptations and bioinspired designs Progress in Materials Science DOI: 10.1016/j.pmatsci.2012.03.001

Fernandez, J., & Ingber, D. (2012). Unexpected Strength and Toughness in Chitosan-Fibroin Laminates Inspired by Insect Cuticle Advanced Materials, 24 (4), 480-484 DOI: 10.1002/adma.201104051

Skomentuj

Wprowadź swoje dane lub kliknij jedną z tych ikon, aby się zalogować:

Logo WordPress.com

Komentujesz korzystając z konta WordPress.com. Log Out / Zmień )

Zdjęcie z Twittera

Komentujesz korzystając z konta Twitter. Log Out / Zmień )

Facebook photo

Komentujesz korzystając z konta Facebook. Log Out / Zmień )

Google+ photo

Komentujesz korzystając z konta Google+. Log Out / Zmień )

Connecting to %s