Что такое биомиметика?

Сохранить в закладки
12041
11
Сохранить в закладки

Что общего у лотоса и бронежилета?

Что такое композиционные материалы? Как улучшить свойства ткани или металла? Как создают новые материалы? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах. Физик Федор Сенатов объясняет, как украсть идею у природы и воспроизвести ее в искусственном материале.

 

Чтобы создать искусственную кость, которую не будет отвергать человеческий организм, нужно сделать ее максимально похожей на настоящую: по структуре, химическому составу, механическим характеристикам. Повторение свойств природного объекта — это и есть биомиметика.

 

Биомиметические материалы воспроизводят структурные особенности природных тканей или объектов. Например, на поверхности листьев лотоса — водного многолетнего растения — есть нанорельеф, влияющий на краевой угол смачивания. За счет этого рельефа лист приобретает супергидрофобность и легко отталкивает воду. Повторяя наноструктуру листа лотоса, можно сделать непромокаемые ткани или гидрофобное антивандальное покрытие для стен.

Вода на поверхности лотоса. Благодаря нанорельефу капли скатываются, собирая пылинки
Вода на поверхности лотоса. Благодаря нанорельефу капли скатываются, собирая пылинки

Биомиметические материалы используют в медицине для замены поврежденных тканей организма человека: хрящей, суставов, костей. Есть материалы, которые по своей упругости, эластичности, структуре и химическому составу похожи на кожу. Они позволяют сымитировать кожный покров и ускорить его сращивание с естественной тканью, например, после ожогов или операций на коже. Различные имплантаты костей и хрящей должны не только по своей внешней форме походить на замещаемый орган, но и иметь на других размерных уровнях структуру, которая обеспечит стабильную работу организма. Имплантат лучше приживается, пациент меньше времени проводит в стационаре после операции за счет естественной интеграции тканей.

 

С помощью биомиметических материалов можно сделать различные адаптируемые конструкции — например, бронежилет, на создание которого вдохновил броненосец. Вместо того чтобы делать одну большую бронепластину, мы создаем сегментированное покрытие. Если в обычную пластину попадет пуля, по ней пойдут трещины, и она расколется, а если пластина состоит из маленьких сегментов, то может разрушиться один сегмент, а остальные будут целы. Сегменты можно делать из остеоморфных блоков.

 

Чешуя броненосца вдохновила на создание новой конструкции бронежилета
Чешуя броненосца вдохновила на создание новой конструкции бронежилета

Конструкцию для бронежилета можно сделать адаптируемой: межпластиничный материал будет либо сужаться, из-за чего конструкция станет жесткой и способной противостоять любым внешним воздействиям, либо расширяться, что позволит человеку спокойно передвигаться в таком костюме. Это прекрасный пример биомиметического концепта, подсмотренного у живой природы.

 

Изучение структурных особенностей природного материала и попытка воспроизвести этот объект на существующих ныне материалах — два основных направления биомиметики. Первое позволяет лучше понять причины тех или иных свойств природного объекта на самых разных уровнях. Второе — воплотить полученные наработки в виде нового материала или технологии.

 

В XX веке в материаловедении основным подходом была комбинация свойств разных материалов. Например, из металла и керамики можно получить металлокерамику, которая обладает неимоверной прочностью и высоким модулем упругости, что позволяет применять материал в медицине. Подход XXI века — не просто смешать материалы, но и архитектурировать их.

 

В английском языке есть термин tailored architecture — выстраивание по заранее задуманной идее. Мы можем задумать архитектуру материала, композиционного или отдельного, и попробовать выстроить его. Это даст возможность изменить его характеристики на самых разных масштабах: макро, микро и нано.

 

Однако все упирается в методы архитектурирования. Самый точный метод — печать с помощью 3D-принтеров, которые появились относительно недавно. Они позволяют архитектурировать материал на малых масштабах и добиваться невероятных свойств. Биомиметика стала складываться в мощное ответвление только в последнее десятилетие, когда появились доступные методы воспроизводства сложной структуры объектов живой природы, в том числе методы аддитивного производства.

Над материалом работали

Читайте также

Внеси свой вклад в дело просвещения!
visa
master-card
illustration