Gdy świat zmaga się z zmiany klimatyczne, musimy pilnie znaleźć sposoby na zmniejszenie emisji CO? emisje. Sektory w dużym stopniu uzależnione od paliw kopalnych, takie jak energetyka i lotnictwo, są powszechnie uważani za najgorszych przestępców. Ale większość ludzi nie zdaje sobie sprawy, że istnieje inny winowajca, ukrywający się na widoku; na ulicach naszych miast oraz w budynkach, w których mieszkamy i pracujemy.

W 2007 sam, stal i beton czy każdy z nich był odpowiedzialny za większą ilość CO? emisji niż cały światowy przemysł lotniczy. Zarówno stal, jak i cement, zanim trafią na plac budowy, muszą zostać poddane obróbce w bardzo wysokich temperaturach – a to pochłania dużo energii. Jak zatem zmniejszyć naszą zależność od tych „brudnych” materiałów, skoro odgrywają one tak kluczową rolę w budownictwie?

Jedną z opcji jest użycie naturalnych materiałów, takich jak drewno. Ludzie budują z drewna od tysiące lat, a konstrukcje drewniane są obecnie przeżywa niewielkie odrodzenie – po części dlatego, że to tani i zrównoważony materiał.

Ale jest kilka wady budowania z drewna; materiał może wypaczać się w wilgotnych warunkach i jest podatny na atak szkodników, takich jak termity. I chociaż naturalne materiały, takie jak drewno, są atrakcyjne z punktu widzenia ochrony środowiska, mogą być niezadowalające dla inżynierów, którzy chcieliby wytwarzać komponenty w określonym kształcie lub rozmiarze.

Kopiowanie życia

Co z tego, że zamiast używać naturalnych materiałów, jakie znajdujemy, tworzymy nowe materiały inspirowane naturą? Pomysł ten zaczął zyskiwać popularność w środowisku naukowym w latach 1970. XX wieku i naprawdę eksplodował w latach 1990. wraz z rozwojem nanotechnologia i metody nanowytwarzania. Dziś stanowi podstawę nowej dziedziny badań naukowych, a mianowicie „biomimetyki” – dosłownie „kopiowania życia”.

Komórki biologiczne są często określane jako „cegiełki życia”, ponieważ są to najmniejsze jednostki żywej materii. Ale żeby stworzyć organizm wielokomórkowy, taki jak ty czy ja, komórki muszą się połączyć ze strukturą wspierającą, tworząc materiał biologiczny, z którego jesteśmy zbudowani, tkanki takie jak kości, chrząstki i mięśnie. Właśnie takich materiałów szukali naukowcy zainteresowani biomimetykami.

Aby tworzyć materiały biomimetyczne, musimy dobrze zrozumieć, jak działają materiały naturalne. Wiemy, że naturalne materiały są również „kompozytami”: są wykonane z wielu różnych materiałów bazowych, z których każdy ma inne właściwości. Materiały kompozytowe są często lżejsze niż materiały jednoskładnikowe, takie jak metale, a jednocześnie mają pożądane właściwości, takie jak sztywność, wytrzymałość i twardość.

Wykonywanie materiałów biomimetycznych

Inżynierowie materiałowi spędzili dziesięciolecia na pomiarze składu, struktury i właściwości naturalnych materiałów, takich jak kości i skorupki jaj, dzięki czemu teraz dobrze rozumiemy ich właściwości.

Na przykład wiemy, że kość składa się z uwodnionego białka i minerału w niemal równych proporcjach. Minerał nadaje sztywność i twardość, podczas gdy białko nadaje twardość i odporność na pękanie. Chociaż kości mogą się łamać, jest to stosunkowo rzadkie i mają tę zaletę, że są self-healing – kolejna cecha, którą inżynierowie starają się wprowadzić do materiałów biomimetycznych.

Podobnie jak kość, skorupka jaja jest materiałem kompozytowym, ale w około 95% zawiera minerały i tylko 5% uwodnione białko. Jednak nawet ta niewielka ilość białka wystarczy, aby skorupka jajka była bardzo twarda, biorąc pod uwagę jej cienka grubość – jak zauważyła większość kucharzy śniadaniowych. Kolejnym wyzwaniem jest przekształcenie tej wiedzy w coś solidnego.

Istnieją dwa sposoby na naśladowanie naturalnych materiałów. Albo możesz naśladować skład samego materiału, albo możesz skopiować proces, w którym materiał został wykonany. Ponieważ naturalne materiały są wytwarzane przez żywe stworzenia, żadna z tych metod nie wiąże się z wysokimi temperaturami. Jako takie, materiały biomimetyczne – nazwijmy je „neo-bone” i „neo-shell” – zużywają znacznie mniej energii do wyprodukowania niż stal czy beton.

W laboratorium udało nam się stworzyć próbki w skali centymetrowej neo-kości. Robimy to, przygotowując różne roztwory białka ze składnikami, które czynią kość mineralną. Następnie z tych roztworów w sposób biomimetyczny w temperaturze ciała osadza się kompozytowy materiał kości. Nie ma powodu, aby ten proces – lub jego ulepszona, szybsza wersja – nie mógł zostać przeskalowany do poziomu przemysłowego.

Oczywiście stal i beton są wszędzie, więc sposób, w jaki projektujemy i budujemy budynki, jest zoptymalizowany pod kątem tych materiałów. Aby zacząć używać materiałów biomimetycznych na dużą skalę, musielibyśmy całkowicie przemyśleć nasze kodeksy budowlane i standardy dotyczące materiałów budowlanych. Ale z drugiej strony, jeśli chcemy budować przyszłe miasta w sposób zrównoważony, być może poważna zmiana jest dokładnie tym, czego potrzebujemy. Nauka jest wciąż w powijakach, ale to nie znaczy, że nie możemy marzyć o przyszłości.