Inženieru komanda, iedvesmojoties no sēņu augšanas, ir spējusi divkāršot materiāla stingrību. Tas ir daudzsološs ceļš uz ekoloģisku un vieglu materiālu radīšanu.
Saturs
Inženieru grupa no Bingemtonas Universitātes un Kalifornijas Universitātes Mersedē atklāja, ka atslēga uz izturīgāku un vieglāku materiālu radīšanu var slēpties sēņu iekšējā struktūrā. Pētot, kā dažādu sugu sēnēs ir organizētas mikroskopiskas šķiedras, ko sauc par hifām, pētnieki spēja modelēt tīklus, kuru izturība mainās atkarībā no šķiedru orientācijas. Tas paver ceļu uz biomateriālu izveidi, kuriem nav nepieciešami jauni savienojumi, bet tikai pārdomātāka arhitektūra.
Atklājums, kas publicēts žurnālā Advanced Engineering Materials, liecina, ka sēnes ir ne tikai bioloģiski interesanti organismi, bet arī vērtīgi piemēri inženierzinātnē. Pētījums koncentrējās uz diviem sēņu veidiem: šampinjonu ar haotisku hifu izvietojumu un maitake sēni, kuras iekšējā struktūra ir noteiktā orientācijā. Šī vienkāršā izmaiņa iekšējā struktūrā radikāli maina to mehāniskās īpašības.
Rezultāti bija negaidīti: bez jaunu komponentu pievienošanas un ķīmiskā sastāva izmaiņām pētniekiem izdevās divkāršot materiāla cietību datorizētā modelēšanā . Noslēpums slēpās mikroskopisko pavedienu orientācijā, kas veido struktūru – princips, kam ir potenciāls pielietojums tādās jomās kā aviācija , medicīna un videi draudzīgs iepakojuma dizains.
Gifas: neredzamas šķiedras, kas atbalsta sēnīti (un, iespējams, inženierijas nākotni)
Sēnes sastāv no hifām – plānām sēnīšu šūnu pavedieniem, kas veido blīvas, sarežģītas tīklojuma struktūras. Lai gan šīs struktūras nav redzamas ar neapbruņotu aci, tās spēj veidot augļķermeņus, kas līdzīgi sēnēm , nodrošinot tām pārsteidzošu strukturālo izturību. Dažas sugas spēj pat izlauzties cauri betonam, lai izkļūtu uz virsmas.
Laboratorijas apstākļos zinātnieki izvilka visu ūdeni no sēnēm, lai koncentrētos uz to iekšējo struktūru, nepieļaujot mitruma ietekmi uz rezultātiem.
Pēc tam viņi izmantoja elektronisko mikroskopiju un kompresijas testus, lai novērtētu, cik izturīgas dažāda veida hifas ir pret spiedienu dažādos leņķos. Tas pierādīja, ka ne visiem sēnēm ir vienāda iekšējā uzbūve.
Maitake pārspēja visus: tā biezākas, vienā virzienā orientētās hifas nodrošināja daudz lielāku pretestību, kad tika pielikta spēka tajā pašā virzienā. Pretstatā tam, baltās sēnes ar haotiski orientētām hifām demonstrēja vienādu mīkstumu neatkarīgi no spiediena virziena. Atšķirība bija audu orientācijā, nevis sastāvā.
Nākotnes modelēšana: no mežiem līdz 3D simulācijām
Lai pārbaudītu, vai šī organizācija patiešām ir tik ietekmīga, kā šķiet, komanda izveidoja trīsdimensiju datora modeļus, izmantojot struktūras, kas pazīstamas kā Vorono mozaīkas . Šie digitālie tīkli imitē hifu savienojumus un ļauj modelēt procesus, kas notiek, kad uz tiem iedarbojas ārēji spēki no dažādiem leņķiem.
Modelēšana parādīja, ka pārveidojot pavedienu orientāciju no horizontālas uz vertikālu, materiāla stingrība gandrīz dubultojas . Tas nozīmē, ka, nemainot nevienu sastāvdaļu, vienkārši pārkārtojot elementus, var iegūt daudz izturīgāku materiālu. Noteiktos starpgados, piemēram, 60 grādos, materiāla uzvedība atgādina sēņu uzvedību ar haotiski izvietotām hifām.
Šim atklājumam ir revolucionārs potenciāls: tas var ļaut projektēt izturīgas, vieglas un stabilas konstrukcijas, neizmantojot dārgus vai grūti pārstrādājamus materiālus. Tā vietā, lai meklētu jaunas vielas, pietiks ar to, ka tiks kopēta dabā slēptā likumsakarība.
Ārpus laboratorijas: kādam nolūkam nepieciešami materiāli, kas izgatavoti pēc sēņu parauga?
Pētījums liecina, ka stratēģiska iekšējās struktūras pārveidošana var aizstāt sarežģītus ķīmiskos procesus vai kompozītmateriālu izmantošanu. Tas ir īpaši aktuāli kosmosa nozarē, kur katrs grams ir svarīgs un materiāliem jāiztur slodzes noteiktos virzienos. Šī dabiskā stratēģija var būt noderīga lidmašīnu spārniem vai satelītiem.
Medicīnā ideja kopēt sēņu struktūru var tikt izmantota protežu ražošanā, kur nepieciešams regulēt cietību, lai imitētu cilvēka kaulu, nepadarot to pārāk trauslu vai pārāk cietu. Tas ļaus arī izgatavot medicīniskos izstrādājumus, kas atbilst katra pacienta vajadzībām.
Turklāt uzņēmumi, kas strādā ar bioloģiski noārdāmiem materiāliem, piemēram, micēliju ādu vai sēņu iepakojumu, varētu uzlabot savu produkciju, nemainot izejvielas.
Kontrolējot hifu augšanas virzienu audzēšanas procesā, tie var radīt objektus ar noteiktām mehāniskām īpašībām , kas ir izturīgāki vai elastīgāki atkarībā no vajadzībām.
Uzdevums vienkāršot sarežģīto
Neskatoties uz daudzsološajiem rezultātiem, komanda atzīst noteiktus ierobežojumus. Piemēram, eksperimenti tika veikti ar žāvētiem sēnēm, kas pilnībā neatspoguļo to uzvedību dabiskā stāvoklī . Turklāt reālo sēņu variabilitāte un vienkāršojumi, kas nepieciešami digitālajiem modeļiem, var neņemt vērā dažus faktorus.
Tomēr fakts, ka tik vienkāršas struktūras kā hifas var izskaidrot tik ievērojamas materiāla izturības svārstības, paver auglīgu augsni turpmākiem pētījumiem. Viena no galvenajām jomām ir citu spriegumu virzienu izpēte, papildus vertikālajam saspiešanai, kas pētīts šajā pētījumā.
Labā ziņa ir tā, ka bioloģiski iedvesmotais dizains vairs nav obligāti intuitīvs vai eksperimentāls. Pateicoties modeļiem, kas līdzīgi šīs komandas izstrādātajiem, inženieri var precīzi prognozēt materiāla uzvedību jau pirms tā izgatavošanas, tādējādi ietaupot laiku, naudu un resursus.
Ko sēnes var iemācīt mums par ilgtspējīgu attīstību
Papildus tehniskajām inovācijām šis darbs izvirza dziļāku jautājumu: daba jau ir atrisinājusi daudzas no problēmām, ar kurām mēs saskaramies inženierzinātnēs šodien . Sēnes ar to mikroskopisko hifu tīklu atgādina mums, ka iekšējā organizācija var būt tikpat svarīga kā paši materiāli.
Sēnīšu micēlijs — sēnes pazemes daļa — ir piesaistījis dizaineru, arhitektu un ekoloģijas speciālistu uzmanību ar savu spēju veidot ilgtspējīgas, bioloģiski noārdāmas un pielāgojamas struktūras. Jaunais pētījums ir vēl viens solis uz priekšu, sniedzot zinātnisku pamatu, lai saprastu, kā šīs īpašības rodas no iekšpuses.
Kā teica Mir Džalils Razavi no Binghamtonas Universitātes un viens no pētījuma autoriem: „Mēs tikai sākam uzzināt, ko mums var iemācīt daba. Iespējams, rūpīgi pētot sēnes, mēs ieskatāmies nākotnes materiālu rasējumos”.
