Pe măsură ce lumea se luptă cu schimbarea climei, trebuie să găsim urgent modalități de a reduce emisiile de CO₂. Sectoarele care se bazează în mare măsură pe combustibili fosili, cum ar fi energia și aviaţie, sunt considerați în mod obișnuit cei mai mari vinovați. Dar ceea ce majoritatea oamenilor nu își dau seama este că există un alt vinovat, ascuns la vedere; pe străzile orașelor noastre și în clădirile în care locuim și muncim.

Numai în 2007, oțel și beton au fost fiecare responsabilă pentru mai multe emisii de CO₂ decât întreaga industrie aeronautică globală. Înainte de a ajunge pe șantier, atât oțelul, cât și cimentul trebuie procesate la temperaturi foarte ridicate - iar acest lucru necesită multă energie. Așadar, cum putem reduce dependența noastră de aceste materiale „murdare”, când joacă un rol atât de crucial în construcții?

O opțiune este utilizarea materialelor naturale, cum ar fi lemnul. Oamenii construiesc cu lemn de... mii de aniși structurile din lemn sunt se confruntă în prezent cu o ușoară renaștere – parțial pentru că este un material ieftin și sustenabil.

Dar sunt unele dezavantajele construirii din lemnmaterialul se poate deforma în condiții de umiditate și este susceptibil la atacuri de dăunători precum termitele. Și, deși materialele naturale, cum ar fi lemnul, sunt atractive din punct de vedere ecologic, ele pot fi nesatisfăcătoare pentru inginerii care ar putea dori să realizeze componente într-o anumită formă sau dimensiune.

Copiind viața

Ce-ar fi dacă, în loc să folosim materiale naturale așa cum le găsim, am crea materiale noi inspirate din natură? Această idee a început să capete popularitate în comunitatea de cercetare în anii 1970 și a explodat cu adevărat în anii 1990, odată cu dezvoltarea... nanotehnologie și metode de nanofabricareAstăzi, aceasta stă la baza unui nou domeniu de cercetare științifică: și anume „biomimetica” – literalmente „copierea vieții”.

Celulele biologice sunt adesea denumite „elementele constitutive ale vieții„”, deoarece sunt cele mai mici unități de materie vie. Dar pentru a crea un organism multicelular ca tine sau ca mine, celulele trebuie să se aglomereze cu o structură de susținere pentru a forma materialele biologice din care suntem alcătuiți, țesuturi precum osul, cartilajul și mușchiul. Materiale ca acestea sunt cele la care oamenii de știință interesați de biomimetică s-au inspirat.

Pentru a realiza materiale biomimetice, trebuie să înțelegem în profunzime cum funcționează materialele naturale. Știm că materialele naturale sunt și „compozite”: sunt fabricate din mai multe materiale de bază diferite, fiecare cu proprietăți diferite. Materialele compozite sunt adesea mai ușoare decât materialele cu o singură componentă, cum ar fi metalele, având în același timp proprietăți dorite, cum ar fi rigiditatea, rezistența și tenacitatea.

Fabricarea de materiale biomimetice

Inginerii de materiale au petrecut decenii întregi măsurând compoziția, structura și proprietățile materialelor naturale, cum ar fi oasele și cojile de ou, așa că acum avem o bună înțelegere a caracteristicilor acestora.

De exemplu, știm că osul este compus din proteine ​​hidratate și minerale, în proporții aproape egale. Mineralul conferă rigiditate și duritate, în timp ce proteina conferă rezistență și rezistență la fracturi. Deși oasele se pot rupe, acest lucru este relativ rar și au avantajul de a fi... auto vindecare – o altă caracteristică pe care inginerii încearcă să o aducă materialelor biomimetice.

La fel ca osul, coaja de ou este un material compozit, dar este formată din aproximativ 95% minerale și doar 5% proteine ​​hidratate. Totuși, chiar și acea cantitate mică de proteine ​​este suficientă pentru a face coaja de ou foarte rezistentă, având în vedere subțirimea sa - așa cum au observat majoritatea bucătarilor. Următoarea provocare este de a transforma aceste cunoștințe în ceva solid.

Există două modalități de a imita materialele naturale. Fie puteți imita compoziția materialului în sine, fie puteți copia procesul prin care a fost fabricat materialul. Întrucât materialele naturale sunt fabricate de creaturi vii, nu există temperaturi ridicate implicate în niciuna dintre aceste metode. Ca atare, materialele biomimetice - să le numim „neo-os” și „neo-coajă de ou” - necesită mult mai puțină energie pentru a fi produse decât oțelul sau betonul.

În laborator, am reușit să facem mostre la scară centimetrică de neo-os. Facem acest lucru prin prepararea diferitelor soluții de proteine ​​cu componentele care alcătuiesc mineralul osos. Un material compozit neo-os este apoi depus din aceste soluții într-un mod biomimetic la temperatura corpului. Nu există niciun motiv pentru care acest proces - sau o versiune îmbunătățită și mai rapidă a acestuia - să nu poată fi extinsă la nivel industrial.

Desigur, oțelul și betonul sunt peste tot, așa că modul în care proiectăm și construim clădiri este optimizat pentru aceste materiale. Pentru a începe să folosim materiale biomimetice la scară largă, ar trebui să regândim complet codurile de construcție și standardele pentru materialele de construcție. Dar, dacă vrem să construim orașe ale viitorului într-un mod sustenabil, poate că o regândire majoră este exact ceea ce este necesar. Știința este încă la început, dar asta nu înseamnă că nu putem visa la lucruri mărețe despre viitor.