Naturen ger otaliga exempel på unika material och strukturer som utvecklats för specialiserade applikationer eller anpassningar. En tvärvetenskaplig grupp forskare vid U.S. Department of Energy's Ames Laboratory försöker låsa upp de hemligheter som organismer använder för att bygga så komplexa strukturer så att kraft kan användas för att skapa material som inte finns i naturen och inte kan syntetiseras på konventionella sätt.

"Naturen har många exempel på dessa hierarkiska strukturer och de är vanligtvis organiska-oorganiska kompositmaterial, "sa Surya Mallapragada, Ames laboratorieforskare och Iowa State University Carol Vohs Johnson ordförande i kemisk och biologisk teknik. "Ett havssvampskelett av glas är ett perfekt exempel på dessa strukturer som formas av den organiska fasen. Du har oorganiska nanokristaller som bildas och det är en multiskalig monteringsprocess, som i de flesta fall sker vid milda temperaturer och förhållanden, såsom pH. "

"Så vi ser till naturen för inspiration och som en källa till biomolekyler för att se hur vi kan återskapa några av de processer som skapar dessa underbara material med hierarkiska sammansättningar eller enhetlig struktur, "sa hon om forskningen som finansieras av DOE-BES Biomolecular Materials Program.

Än så länge, Mallapragadas team har kunnat replikera skapandet av magnetit genom att studera magnetotaktiska bakterier. Dessa bakterier bildar magnetiska nanokristaller eller kedjor av nanokristaller som de använder för att orientera sig med jordens magnetfält. Använda självmonterande polymermallar och proteiner från bakterierna, forskare kunde odla magnetitkristaller.

"Vi har framgångsrikt använt detta tillvägagångssätt för att odla magnetit -nanokristaller, "Mallapragada sa, "men vi har gått utöver det, med hjälp av dessa tekniker för att skapa koboltferrit och andra magnetiska nanokristaller som inte finns i naturen. Det är ett bra exempel på mallad syntes. "

Gruppen har också arbetat med kalciumfosfat för att försöka efterlikna den lätta styrkan som finns i ben.

"Ibland, vi måste hitta på syntetiska analoger som kan göra samma jobb, men är mer robusta, "Mallapragada sa." I många fall, biomolekylerna är inte lika robusta. Proteiner är bräckliga molekyler, så om vi kan göra det med syntetiska polymerer, det ger oss mycket mer flexibilitet. "

Det är en sak att skapa nanokristaller. Att få dessa nanokristaller att sedan organisera och bilda mikrostrukturer och sedan makroskalstrukturer är något helt annat.

"De är inte på den komplexitetsnivå vi ser i naturen - det är den heliga gralen, "Mallapragada förklarade, "men det är inspirationen och vi försöker komma dit med syntetiska metoder."

Det senaste målet för att utnyttja denna naturliga byggprocess är skapandet av metamaterial, så kallade vänsterhänta material som har intressanta optiska egenskaper som inte förekommer i naturen.

"Vi tittar på att använda organiska mallar för att montera oorganiska partiklar för att få önskade egenskaper, "Mallapragada." Vi har ett mycket starkt samarbete med Ames Laboratory -fysikerna Costas Soukoulis och Thomas Koschny, och de har gjort ett underbart arbete med simuleringar och förutsägelser av strukturer och utvecklat några litografiska strukturer, men det är bara 2-D. Så det är verkligen ett perfekt fall för att använda dessa bioinspirerade metoder för att självmontera dessa metamaterial till 3D-strukturer. "

Mallapragada pekar återigen på havssvampen av glas för den typ av multiskala montering som krävs för att bygga 3D-metamaterial.

"Havssvampen har ordning på flera skalor - nanoskala, mikronskala, millimeter skala. Det är en mångsidig montering-det ser ut som Eiffeltornet-och det är därför det har en mycket stor styrka i förhållande till vikt, sa hon. Så vi behöver en liknande hierarki. Definiera formerna i nanoskala, men sedan ha ett ordnat arrangemang av dessa nanoskalaobjekt i 2-D och sedan 3-D för att få önskade egenskaper. "

Förutom att använda självmonterande polymerer, som ger långsiktig beställning, DNA har också använts eftersom det möjliggör specificitet vid placering av nanopartiklar. För att skapa metamaterial, laget tittar på att använda båda för att styra placeringen av guldnanopartiklar i ett specifikt mönster, bygg upp lager och applicera sedan en guldfilmbeläggning på hela strukturen för att få de önskade egenskaperna.

"Det krävs ett mycket tvärvetenskapligt förhållningssätt, "Mallapragada sa." Vi har molekylära biologer (Marit Nilsen-Hamilton) för DNA-sidan, materialkemister (Mallapragada) för polymersyntesen, Soukoulis och Koschny för den teoretiska förutsägelsen av strukturerna och (fysikern) Alex Travesset för att modellera den typ av strukturer vi kan få. "

"Vi behöver bra karakterisering så David Vaknin tittar på spridningsmetoder och Tanya Prozorov har utfört transmissionselektronmikroskopi, "fortsatte hon." Andy Hillier (kemisk/biologisk ingenjör) har varit inblandad i metallisering, applicera den kontinuerliga guldfilmen på de nanostrukturerade mallarna. Så det är en flernivå, flerstegs, flerkomponent syntetisk process. "

Moder natur borde smickras!