I denna månads upplaga av Fysik värld , en grupp fysiker beskriver hur unika strukturer i den naturliga världen inspirerar forskare att utveckla nya typer av material med oöverträffade egenskaper.
Från tejp inspirerad av tårna på geckoes till en potentiellt felbeständig beläggning av flygplan inspirerad av pärlemor, attraktiviteten kretsar kring ett koncept – hierarkisk design.
När material har en hierarkisk design, den övergripande strukturen består av mycket mindre nivåer, eller generationer, av strukturer som när de sätts ihop uppvisar extraordinära egenskaper.
Till exempel, geckoornas förmåga att gå uppför vertikala väggar och över tak beror på den hierarkiska layouten av små fibrer på tårna. Varje tå har en dyna med håriga fibrer som sticker ut från den som upprepade gånger delar sig i finare och finare hårstrån med dimensioner ner till nanoskala.
Denna upprepade klyvning ökar ytarean på tårna avsevärt och hjälper till att fixera geckos tå till en yta.
Innan dessa naturliga strukturer upptäcktes, dock, arkitekter använde detta hierarkiska tillvägagångssätt för att designa några av de mest kända byggnaderna och strukturerna som fortfarande står kvar idag.
Det kanske mest kända exemplet är Eiffeltornet, som huvudsakligen består av små balkar som kombineras för att bilda större balkar, som kombineras igen för att skapa ännu större balkar, och så vidare i totalt tre strukturella generationer.
Eiffeltornet byggdes för världsutställningen 1889 och Gustav Eiffels designplaner innebar att när det kom till bygget, material användes sparsamt. Faktiskt, om du skulle smälta ner hela tornets järn till ett massivt block med en basarea lika med tornets, blocket skulle bara stå 6 cm över marken.
Mer än 100 år senare, forskare och ingenjörer tittar nu på det mest effektiva sättet att använda detta hierarkiska tillvägagångssätt för att skapa exotiska konstgjorda material som kallas metamaterial.
I den här artikeln, Daniel Rayneau-Kirkope, från Aalto-universitetet, Yong Mao, från University of Nottingham, och Robert Farr, från London Institute of Mathematical Sciences, förklara hur dessa typer av strukturer kan optimeras genom att förstå det exakta förhållandet mellan struktur och funktion.
Teknikerna som krävs för att göra dessa komplexa konstruktioner utvecklas i snabb takt. Vissa forskare försöker utveckla en process i industriell skala för att konstruera material som efterliknar pärlemor, även känd som pärlemor.
Nacre är ett otroligt starkt material som produceras av vissa blötdjur som ett inre skal; den utgör också den yttre beläggningen av pärlor och har en brottmotstånd 3000 gånger större än kristaller.
"Genom att börja med material som naturen inte använder för strukturella ändamål, det finns en chans att de fördelaktiga egenskaperna hos pärlemor och andra exempel på naturligt förekommande hierarkisk design till och med kan överträffas av konstgjorda kompositer, " skriver forskarna.
