Публикации: Прочее (рубрикатор)

Ода природе как нашему общему учителю

Наноматериалы на основе биомиметики.

Биология, из которой произрастает и на которой основывается биомиметика, базируется на самоорганизации в процессе роста организмов с целью формирования специфических функций за счет сложных, разнообразных структур, формирование которых начинается с субмолекулярного уровня. Биологические материалы растут и в процессе роста приобретают свои изменяющиеся свойства, в том числе и за счет самосборки (натуральный шелк, нити соединяющие моллюска с твердой поверхностью).

В организмах их биологический материал формируется из гетерогенных материалов и молекул в функциональную структуру, для чего используется механизм самосборки в условиях «комнатной» (обычной) температуры и обычного давления (это не всегда, например, живые организмы существуют на большой глубине океана) или в водной среде.

Природные биоматериалы – это композиты, основанные на сочетании большого количества полимеров всего двух видов (белки и полисахариды) и небольшого количества некоторых минералов (Ca, Si). В редких случаях содержат металлы Zn, Mn (не более 10 %) для устойчивости поверхности против микробов и челюстей пауков, Fe для прочности покрытия моллюсков и зубов рыб, Fe также в крови (красные кровяные тельца), Mg в хлорофилле для светопоглощения.

Благодаря специфическим механическим свойствам биологические материалы не уступают, а в ряде случаев превосходят рукотворные инженерные материалы (рис.1), особенно в части устойчивости к растрескиванию, при этом имею малый вес.

Рисунок 1.

При производстве биоматериалов природа не использует гигантский расход энергии (высокие температуры и давление, жесткие химические реакции), но эффективно использует информацию (код наследственности). Подавляющая часть биологических материалов специфические свойства приобретают не только за счет химического строения, но и за счет сложных многоуровневых структур (морфология, архитектура, гибридность), которые формируются по программам ДНК (рис. 2).

Рисунок 2.

Если инженерные процессы производства материалов проходят в жестких условиях, например, в расплавах, то биология (природа) использует богатую молекулярную информацию о структуре материала и о расположении компонентов в структуре, о молекулярных размерах и форме, гидрофобности / гидрофильности, заряде и др. И все это происходит в ходе роста и формирования биоматериала.

Таблица 1. Сравнение био- и инженерных материалов.

Природа сохраняет многоуровневую структуру материала на всех уровнях и этапах развития, поэтому большинство химических сил взаимодействия реализуется на малых дистанциях. Это требует постоянного использования информации (рис.3).

Рисунок 3. Принципиальное различие формирования биоматериалов и производства рукотворных материалов.

Это хорошо известно для всех растений (наглядно у деревьев) и животных (самолечение ран). Природные материалы адаптируют свою структуру в процессе роста в зависимости от изменений в окружающей среде, используя самосборку.

Адаптация биологических материалов происходит не только в процессе роста организма, но и на протяжении всей его жизни. При этом клетки организма играют роль сенсоров (например, механических воздействий). Происходит дополнительное формирование биоматериала или напротив его удаление, если этого требует адаптация к конкретным условиям внешней среды. Особенностью биоматериалов является их способность к самолечению.

Архитектура функция от структуры.

Многомерная структура биоматериалов усложняется по мере роста организма (например, рост дерева), при этом происходит объединение различных систем (например, целлюлоза или лигнин в древесине или льне) за счет самоорганизации. Последующая адаптация или оптимизация возможны на каждом уровне иерархии.

Основное преимущество многоуровневых структур заключается в том, что биоматериал обладает мультифункциональностью, или когда возникают новые уникальные свойства, например, улучшение снижения хрупкости за счет оптимизации размеров и уровней структуры. Прочность биоматериала определяется наноразмерными структурами, а устойчивость к хрупкости контролируется структурами с микронными и сантиметровыми размерами. Два свойства могут контролироваться независимо, как например биокерамика может быть очень прочной (как инженерная керамика), но менее хрупкая (рис.4).

Рисунок 4.

Прямое следствие иерархической структуры – усиление адаптивности. Функции могут модифицироваться или усиливаться путем структурирования каждого уровня иерархии структуры. Адаптивность возрастает как функция числа уровней иерархии.

Фабрикация (производство) искусственных многоуровневых структур по технологии «сверху-вниз» невозможна. Возможна только технология «снизу-вверх» путем самосборки. Материалы с тремя уровнями структуры уже получены химическим синтезом и самосборкой с размерами ~ 100 нм. За счет самосборки возможно использовать инженерную технику для получения объемных материалов. На рис.5 показана дорожная карта производства инженерных материалов по принципам бионики.

Рисунок 5.

На этом очень перспективном направлении можно получить материалы с очень интересными свойствами.

Только одна иерархическая структура, контролируемая в технологическом процессе, может быть использована для придания материалу определенных функций с использованием дешевого или широко доступного вещества (материале, основанном на возобновляемом сырье). Таким образом можно производить материалы с термическими, оптическими, механическими свойствами, произведенными из одного и того же материала (как в природе).

Полимеры и керамика.

В технике (инженерии) очень широко используются металлы и силиконы, а природа использует в основном полимеры двух типов (белки, полисахариды) и некоторые керамические биоматериалы. Самый распространенный в животном мире белок «коллаген» (основа костей, кожи), кератин (волосы, ногти (когти), рога, копыта) и шелк (фиброин). В растительном мире основной полимер – полисахарид «целлюлоза» (растения), хитин (покрытия насекомых и ракообразных).

Структура на основе натуральных полимеров обеспечивает большее количество свойств, чем синтетические полимеры, поскольку первые способны образовывать широкий ряд иерархических структур, использовать различные типы межмолекулярных связей, ассамблей и многоуровневых самообразований.

В природе биоматериалы часто являются композитами на основе полимеров и керамики в определенной пропорции, что определяет их свойства. Белковые материалы кожи и сухожилий или клетки растений (целлюлоза) – это чистая органика, а морская глубоководная губка состоит на 94 % из неорганических веществ (карбонат кальция, кремния). Кости и зубы – это примеры природной керамики в комбинации с биополимерами. Каждому свойству своя химия и своя физика (химические вещества и их морфология структуры). Скромными силами – чудесное многообразие.

Многие биокерамические структуры имеют прочность и долговечность в 16 раз выше, чем техническая керамика. Зубы акулы служат ей всю долгую жизнь. Причина: сложная структура, которая оптимизирует все уровни иерархии. Скелет глубоководной губки Venus Basket (sponge) построен из кремниевых спикул и отростков и обеспечивает очень высокую прочность.

Подобно другим биоматериалам биокерамика формируется, благодаря химическим реакциям, протекающим в определенных естественных условиях. Многие биокерамические материалы в своем составе содержат небольшое количество полимеров (типичный композит) и поэтому демонстрируют высокую прочность, эластичность и долговечность.

Биомиметика в действии.

Биомиметика включает в себя трансформацию функций из биологии (природы) в технику, инженерию. Однако для этого надо хорошо понимать, что имитировать, что трансформировать, что модифицировать и как это делать. Существует несколько уровней, на которых можно осуществить эту трансформацию (рис.6).

Трансформации можно осуществить разными путями, которые анализируются в трубках советских ученых (система TRIZ). Очень важным фактором является оптимизация, нахождение связи между условиями в биологии и в технике.

Рисунок 6.

Очень важны граничные условия, в которых будет работать инженерный материал, построенный по принципам бионики.

Природа использует малые, скромные свойства для создания множества биоматериалов с очень разными свойствами, при этом создается огромный арсенал физических, иерархических, многоразмерных структур, каждая из которых обеспечивает необходимые свойства конечному продукту – организму. Инженерия, используя огромное количество исходного сырья (металлы, дерево, полимеры ~ 300, синтетические красители ~ 6000), создает материалы, как правило, монолитной структуры и с одним свойством. Возникает своеобразная «черная дыра» между природными био- и рукотворным мирами, инженерными материалами, которую пытается заполнить бионика.

Очень важно совместить необыкновенные возможности генной живой природы (результат эволюции ~ 3,8 млрд. лет) и успехи инженерии (огромное количество сырья, широкий спектр условий: температура давление и т д.). Взяв самое лучшее из двух областей (бионика). Инженерия из биологии должна взять принцип многомерности, иерархии, структуры, морфологии, самосборки, большую роль информационного программирования и использование солнечной энергии.

Дорожная карта отражает научные исследования в области создания материалов нового поколения (рис.5). Исследование в этой области должны позволить разработать принципы формирования, симуляции и производство биомиметических наноматериалов, свойства которых были бы производными от сформированных многоуровневых структур. Это позволит развитие науки – материаловедения, которое пока не очень тесно связана с бионикой.

Теоретически инженерии имеет большой потенциал создания нового поколения рукотворных материалов, превосходящих природные, поскольку не связана жестко, как природа, с естественными условиями (температура, как правило, мягкая, давление переменное, за редким исключением – глубина океана).

Биохимические наноматериалы могут найти (находят) применение в разных областях техники от электроники (проводники, изоляция, сверхпроводники (за счет самосборки)), фотоники (отражатели, отражающие поверхности, дифракционные структуры и др.), в медицине (диагностика, сенсоры, суперсорбирующие раневые покрытия, имплантаты, платформы для роста клеток и др.), в IT (актуаторы, сенсоры), в охране (молекулярные коды, дифракционные структуры).

Общее заключение и рекомендации по изучению биомиметики.

Необходимо изучать необыкновенную биоселекцию биоматериалов для выполнения их необычных свойств. Необходимо использовать самую современную аналитическую технику (синхротронную и нейтронную в том числе) для понимания более детальных связей между структурой (в широком смысле) и функциями биоматериалов. Нужен новый подход к дизайну, синтезу и процессам получения биомиметических инженерных материалов.

Рисунок 7. Основные направления в исследованиях по биомиметическим инженерным материалам.

Механическое перенесение изученных в биологии явлений и биоматериалов, связи между структурой и свойствами может не дать положительные результаты в технике. Необходим учет множества факторов и, прежде всего, различий в условиях функционирования материалов на стадии их производства и эксплуатации.

В связи с этим необходимо с помощью современной аналитики наблюдать в режиме реального времени изменения в структуре и свойствах биоматериалов. При этом необходимо иметь в виду, что биоматериалы очень чувствительны к жестким условиям современного анализа (радиация всех видов), которые могут вызвать необратимые изменения в структуре биоматериалов.

Очень важен выбор природный модели для решения технической задачи и нахождение между ними различий и сходства. Поскольку исходный биоматериал и биомиметический технический материал имеют (должны иметь) многоуровневые структуры, то и их анализ должен вестись на всех уровнях (от молекулярного до макроскопического) соответствующими методами и приборами и в динамике роста и функционирования материалов.

Природа синтезирует (производит) биоматериалы в определенных граничных условиях (температура, давление, время), что может не совпадать с задачей инженерии. Поэтому прямая, механическая экстраполяция не может быть использована.

Одной из целей бионики является создание технологии (NBIC) синтеза и производства сложных наноструктур, вытекающей из анализа природных систем, для получения новых материалов с мультисвойствами, необходимыми для конкретного продукта.

Самым трудным во всём этом комплексе проблем является научно обоснованные методы создания иерархических структур определенной сложности, обеспечивающих заранее заданные свойства биомиметическим материалам. Над этим работают множество научных школ (в том числе, интернациональные) в передовых странах.