Naturen har en mycket stor fördel jämfört med alla mänskliga forskarlag:gott om tid. Miljarder år, faktiskt. Och under hela den tiden, det har producerat några verkligt fantastiska material — med hjälp av svaga byggstenar som mänskliga ingenjörer ännu inte har listat ut hur man använder för högteknologiska applikationer, och med många egenskaper som människor ännu inte har hittat sätt att kopiera.

Men nu har ett antal forskare som MIT-professorn Markus Buehler börjat reda ut dessa processer på en djup nivå, inte bara att ta reda på hur materialen beter sig utan vilka de väsentliga strukturella och kemiska egenskaperna är som ger dem deras unika egenskaper. I framtiden, de hoppas kunna efterlikna dessa strukturer på ett sätt som ger ännu bättre resultat.

Allt handlar om att montera samman komplexa strukturer från små, enkla byggstenar, Buehler förklarar. Han gillar att använda en musikalisk analogi:En symfoni består av många olika instrument, som var och en på egen hand aldrig skulle kunna producera något så storslaget och komplext som de kombinerade rika, full musikalisk upplevelse. På ett liknande sätt, han hoppas kunna konstruera komplexa material med tidigare otillgängliga egenskaper genom att använda enkla byggstenar monterade på sätt som lånar från dem som används av naturen.

mänskliga ingenjörer, han förklarar, har åtminstone en viktig fördel gentemot naturen:De kan välja sina material. Natur, däremot måste ofta nöja sig med det som är lättillgängligt lokalt, och vilka strukturer som än har skapats genom evolutionens långa trial-and-error. "En spindel eller en cell, ” säger Buehler, "har inga stora resurser. Det kan inte importera material, den använder det som är tillgängligt."

I biologiska material som spindelsilke, strukturernas geometri gör hela skillnaden. Silke, ett ämne för tidigare studier av Buehler och hans kollegor, består av molekyler som är i sig själva, i sig svag, men de grundläggande skivformade molekylerna kombineras till små staplar, som i sin tur kombineras till tvärbundna fibrer på ett sätt som gör helheten mycket starkare än dess beståndsdelar. Ingenjörer kan lära sig ett och annat av sådana strukturer, Buehler föreslår, med sina olika arrangemang i olika skalor. "Om vi ​​tar reda på hur man designar saker i flera skalor, vi behöver inte snygga byggstenar, ” säger han.

Peter Fratzl, en materialvetare vid Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Tyskland, ser mycket lovande i detta tillvägagångssätt. ”Det är inte så mycket den kemiska sammansättningen som verkligen räknas, men hur komponenterna (som kan vara dåliga i sig) är sammanfogade, Säger han. ”Att reda ut dessa strukturella principer kräver experimentella såväl som teoretiska tillvägagångssätt som täcker många längdskalor, från molekylernas storlek till kompletta organ. ”Hittills har forskningen har mest varit på den teoretiska sidan, men Buehler och andra hoppas kunna fortsätta med experimentellt arbete också.

Denna designmetod håller inte bara löftet om att skapa material med stor styrka, eller stretchighet, eller med användbara optiska eller elektriska egenskaper, men också för att använda material som nu anses ha liten nytta, eller till och med avfallsprodukter.

Hierarkiska strukturer

Nyckeln till att göra starka material av svaga komponenter, Buehler har hittat, ligger i hur små bitar arrangeras i större mönster på olika sätt i olika skalor - med andra ord, i en hierarkisk uppsättning strukturer. "Detta paradigm, bildandet av distinkt struktur på flera längdskalor, gör det möjligt för biologiska material att övervinna de inneboende svagheterna hos byggstenarna, ” skrev han i en tidning som publicerades denna månad i tidskriften Nano idag .

De flesta av de strukturella materialen designade av människor, å andra sidan - stål, tegelstenar, murbruk - har enkla strukturer som inte varierar med skalan, även om vissa kompositmaterial och strukturer byggda av komponenter som kolnanorör börjar implementera åtminstone en viss differentiering av struktur med skala. Men Buehler ser detta som ett område som är moget för mycket mer sofistikerade och komplexa nya mönster.

Buehler menar att precis som biologi har gjort, människor kan konstruera material med önskade egenskaper som styrka eller flexibilitet genom att använda rikliga och billiga material som kiseldioxid, som i bulkform är spröd och svag. "Utformningen av hierarkiska strukturer kan vara nyckeln till att övervinna deras inneboende svaghet eller sprödhet, egenskaper som för närvarande förhindrar deras utbredda tekniska tillämpning, ” skrev han i tidningen Nano Today. Genom att använda smart designade strukturer, han föreslår, människor ska kunna producera material med nästan vilken typ av önskade egenskaper som helst, även använda en mycket begränsad, och "nästan godtycklig" uppsättning komponenter.

"Vi försöker utveckla datormodeller, " säger han, "så att vi kan göra förutsägelser" om egenskaperna hos material byggda på sätt som aldrig har gjorts tidigare. "Som ingenjörer, vi har modeller för hur man gör en bil, eller en byggnad, ” säger han. Men för att designa de grundläggande strukturerna för nya material, tekniken idag "är verkligen i ett spädbarnsstadium." Men när sådana modeller utvecklas, säger han självsäkert, "Vi kan mycket bättre än biologi."