Biofilmer ses generellt som ett problem som ska utrotas på grund av de faror de utgör för människor och material. Dock, dessa samhällen av alger, svampar eller bakterier har intressanta egenskaper både ur vetenskaplig och teknisk synvinkel. Ett team från Münchens tekniska universitet (TUM) beskriver processer från biologiområdet som använder biofilmer för att skapa strukturella mallar för nya material som har egenskaperna hos naturliga material. Förr, detta var endast möjligt i begränsad omfattning.

Under miljontals år, naturliga material som trä, ben och pärlemor har optimerats via evolution enligt principen om anpassad stabilitet med lägsta möjliga vikt. Naturen har inspirerat till många tekniska utvecklingar. Exempel inkluderar flygplansvingar, dragkedjor och yttätningsmedel med lotuseffekt. Dock, reverse engineering kan inte reproducera originalets strukturella komplexitet i naturen.

"I naturen, vi hittar många material med egenskaper som konstgjorda material inte kan replikera på exakt samma sätt, sade professor Cordt Zollfrank, som forskar om grundläggande principer för utveckling av nya material tillsammans med sitt team på Chair of Biogenic Polymers på TUM Campus Straubing for Biotechnology and Sustainability.

Största problemen på den minsta nivån

Som gränssnittet mellan biologi och teknik, bionics använder metoder och system som finns i naturen för att ge lösningar på tekniska problem. När det fortfarande var begränsat till att använda naturliga former, t.ex. som mallar för utveckling av design av flygplansvingar eller fartygsskrov, problemen förblev hanterbara. Dock, att imitera materialegenskaperna hos naturliga byggmaterial är en helt annan historia. Detta beror på att de finns i de inre strukturerna, där fibrer är länkade till varandra över flera storleksordningar och över olika hierarkiska nivåer.

"Vanligtvis, de viktigaste källorna till mekaniska materialegenskaper som elasticitet, styrka och seghet finns på den minsta nivån av dessa hierarkier, speciellt på nanometerskala, " förklarade Dr Daniel Van Opdenbosch, en teamledare vid Zollfranks ordförande och en av artikelförfattarna, beskriver huvudproblemet när man försöker översätta dem till tekniska lösningar. Dock, när mikroorganismerna själva eller deras sekret skapar materialet, de tekniskt sofistikerade komplexa nätverken är redan färdigbildade.

Framtiden för Bionics

I en artikel för tidskriften Avancerade material , forskarna vid TUM presenterar en serie procedurer från biologiområdet som använder ljus, värme, speciellt förberedda substrat, och andra stimuli för att styra rörelseriktningen för mikroorganismer längs mycket specifika vägar. "Dessa biologiska fynd för att kontrollera mikrober via riktade stimuli kommer att forma framtiden för materialforskning, " sa professor Cordt Zollfrank. Detta beror på att de gör det möjligt att skapa skräddarsydda mallar för nya material med naturliga strukturer från mikroberna själva eller deras sekret. "Med vår artikel, vi vill visa riktningen denna resa kommer att ta oss inom området biologiskt inspirerad materialvetenskap, sa professorn.

Kontaktfri modellering

Daniel Van Opdenbosch och hans grupp använder redan framgångsrikt några av dessa metoder i Straubing. Som en del av ett Reinhart Koselleck-projekt från den tyska forskningsstiftelsen (DFG), forskarna drar nytta av de speciella egenskaperna hos röda alger, vars rörelseriktning beror på exponering för ljus, och som utsöndrar kedjor från sockermolekyler. Genom att projicera ljusmönster som över tiden förändras till algernas växtmedium, forskarna använder dem för att skapa långa, fina polymertrådar, som fungerar som skräddarsydda mallar för tillverkning av funktionell keramik.

Med hjälp av algerna, valfritt antal mallar kan skapas för en mängd olika applikationer, allt från batterielektroder till ny skärm- och displayteknik till applikationer inom medicin, såsom ersättningsben och vävnad. Även om förmågan att odla komplexa mikrostrukturer som hela komponenter och andra hierarkiskt strukturerade material fortfarande är långt borta i framtiden, det kan snart bli en påtaglig verklighet tack vare den grundforskning som forskarna vid Straubing utför.