Что такое биомиметика? 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 (ФИОП) 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 // Wikipedia Commons

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 // Flickr.com

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.