De starkaste syntetmaterialen är ofta de som avsiktligt efterliknar naturen.

En naturlig substans forskare har tittat på när man skapar syntetiska material är nacre, även känd som pärlemor. En exceptionellt tuff, styvt material som produceras av vissa blötdjur och fungerar som deras inre skallager, det omfattar också det yttre pärlskiktet, ger dem sin glänsande glans.

Men medan nacres unika egenskaper gör den till en idealisk inspiration vid skapandet av syntetmaterial, de flesta metoder som används för att producera artificiell nacre är komplexa och energikrävande.

Nu, en biolog vid University of Rochester har uppfunnit en billig och miljövänlig metod för att göra konstgjorda nacre med hjälp av en innovativ komponent:bakterier. Den konstgjorda nacre skapad av Anne S. Meyer, docent i biologi vid Rochester, och hennes kollegor är gjorda av biologiskt producerade material och har sejheten av naturliga nacre, samtidigt som den är stel och, förvånande, böjbar.

Metoden som används för att skapa det nya materialet kan leda till nya tillämpningar inom medicin, teknik - och till och med bygga byggnader på månen.

Imponerande mekaniska egenskaper

De imponerande mekaniska egenskaperna hos naturliga nakrar härrör från dess hierarkiska, skiktad struktur, vilket gör att energi kan spridas jämnt över materialet. I en artikel publicerad i tidningen Små , Meyer och hennes kollegor beskriver deras metod att använda två stammar av bakterier för att replikera dessa lager. När de undersökte proverna under ett elektronmikroskop, strukturen som skapades av bakterierna skiktades på samma sätt som nacre som producerades naturligt av blötdjur.

Även om nacre-inspirerade material har skapats syntetiskt tidigare, de metoder som används för att göra dem involverar vanligtvis dyr utrustning, extrema temperaturer, högtrycksförhållanden, och giftiga kemikalier, Säger Meyer. "Många människor som skapar konstgjorda tunnor använder polymerskikt som bara är lösliga i icke -vattenhaltiga lösningar, ett organiskt lösningsmedel, och sedan har de denna gigantiska hink med avfall i slutet av proceduren som måste kasseras. "

För att producera nacre i Meyers lab, dock, allt forskare behöver göra är att odla bakterier och låta den sitta på en varm plats.

Från bakterier till nacre

För att göra den konstgjorda nacre, Meyer och hennes team skapar alternerande tunna lager av kristalliserat kalciumkarbonat - som cement - och klibbig polymer. De tar först ett glas- eller plastglas och lägger det i en bägare som innehåller bakterierna Sporosarcina pasteurii , en kalciumkälla, och urea (i människokroppen, urea är avfallsprodukten som utsöndras av njurarna under urinering). Denna kombination utlöser kristallisation av kalciumkarbonat. För att göra polymerskiktet, de placerar objektglaset i en lösning av bakterierna Bacillus licheniformis , låt sedan bägaren sitta i en inkubator.

Just nu tar det ungefär en dag att bygga upp ett lager, cirka fem mikrometer tjock, kalciumkarbonat och polymer. Meyer och hennes team tittar för närvarande på att belägga andra material som metall med nacre, och "vi försöker nya tekniker för att göra tjockare, nacre-liknande material snabbare och det kan vara hela själva materialet, "Säger Meyer.

Bygga hus på månen

En av de mest fördelaktiga egenskaperna hos den nacre som produceras i Meyers laboratorium är att den är biokompatibel - tillverkad av material som människokroppen producerar eller att människor kan äta naturligt ändå. Detta gör nacre perfekt för medicinska applikationer som konstgjorda ben och implantat, Säger Meyer. "Om du bryter din arm, till exempel, du kan sätta i en metallnål som måste tas bort med en andra operation efter att benet läkt. En nål gjord av vårt material skulle vara styv och seg, men du behöver inte ta bort den. "

Och, medan materialet är hårdare och styvare än de flesta plaster, det är väldigt lätt, en kvalitet som är särskilt värdefull för transportfordon som flygplan, båtar, eller raketer, där varje extra pund betyder extra bränsle. Eftersom produktionen av bakteriell nacre inte kräver några komplexa instrument, och den nacre beläggningen skyddar mot kemisk nedbrytning och vittring, det rymmer löfte för anläggningsapplikationer som sprickförebyggande, skyddande beläggningar för erosionskontroll, eller för bevarande av kulturella artefakter, och kan vara användbart i livsmedelsindustrin, som ett hållbart förpackningsmaterial.

Nakern kan också vara ett idealiskt material för att bygga hus på månen och andra planeter:de enda nödvändiga "ingredienserna" skulle vara en astronaut och ett litet rör med bakterier, Säger Meyer. "Månen har en stor mängd kalcium i måndammet, så kalciumet är redan där. Astronauten tar med sig bakterierna, och astronauten gör urea, vilket är det enda du behöver för att börja göra kalciumkarbonatlager. "

Även bortom dess kvaliteter som ett idealiskt konstruktionsmaterial, själva nacre - som alla ägare av pärlsmycken vet - är "mycket vacker, "Meyer säger, på grund av dess staplade lager. Varje staplat lager har ungefär samma våglängd som synligt ljus. När ljuset träffar nakern, "ljusets våglängder interagerar med dessa lager av samma höjd så det studsar tillbaka i samma våglängd som synligt ljus." Även om bakteriehålan inte interagerar med synligt ljus eftersom skikten är tjockare än naturliga nakrar, det kan interagera med infraröda våglängder och studsa infrarött från sig själv, Meyer säger, som "kan erbjuda unika optiska egenskaper."