Som verden kæmper med klima forandring, vi har et presserende behov for at finde måder at reducere vores CO? emissioner. Sektorer, der er stærkt afhængige af fossile brændstoffer, såsom energi og luftfart, anses ofte for at være de værste lovovertrædere. Men hvad de fleste mennesker ikke er klar over er, at der er en anden synder, der gemmer sig i almindeligt syn; på gaderne i vores byer og i de bygninger, hvor vi bor og arbejder.

I 2007 alene, stål og beton var hver især ansvarlige for mere CO? emissioner end hele den globale luftfartsindustri. Inden man når byggepladsen, skal både stål og cement forarbejdes ved meget høje temperaturer – og det kræver meget energi. Så hvordan kan vi reducere vores afhængighed af disse "beskidte" materialer, når de spiller en så afgørende rolle i byggeriet?

En mulighed er at bruge naturlige materialer, såsom træ. Mennesker har bygget med træ til tusindvis af år, og trækonstruktioner er i øjeblikket oplever en mindre genopblussen - dels fordi det er et billigt og bæredygtigt materiale.

Men der er nogle ulemper ved at bygge med træ; materialet kan kæde under fugtige forhold og er modtageligt for angreb fra skadedyr såsom termitter. Og mens naturlige materialer, såsom træ, er tiltalende ud fra et miljøperspektiv, kan de være utilfredsstillende for ingeniører, der måske ønsker at fremstille komponenter i en bestemt form eller størrelse.

Kopiering af livet

Så hvad hvis vi i stedet for at bruge naturlige materialer, som vi finder dem, laver nye materialer, der er inspireret af naturen? Denne idé begyndte at få trækkraft i forskningsmiljøet i 1970'erne og eksploderede virkelig i 1990'erne med udviklingen af nanoteknologi og nanofabrikationsmetoder. I dag danner det grundlaget for et nyt felt inden for videnskabelig forskning: "biomimetik" - bogstaveligt talt "kopiering af livet".

Biologiske celler kaldes ofte “livets byggesten”, Fordi de er de mindste enheder af levende materie. Men for at skabe en multicellulær organisme som dig eller mig, skal celler klumpes sammen med en støttestruktur for at danne de biologiske materialer, vi er lavet af, væv som knogle, brusk og muskler. Det er materialer som disse, som forskere, der er interesserede i biomimetik, har henvendt sig til for at få inspiration.

For at fremstille biomimetiske materialer skal vi have en dyb forståelse af, hvordan naturlige materialer fungerer. Vi ved, at naturlige materialer også er "kompositter": de er lavet af flere forskellige basismaterialer, hver med forskellige egenskaber. Kompositmaterialer er ofte lettere end enkeltkomponentmaterialer, såsom metaller, mens de stadig har ønskelige egenskaber såsom stivhed, styrke og sejhed.

Fremstilling af biomimetiske materialer

Materialteknikere har brugt årtier på at måle sammensætningen, strukturen og egenskaberne af naturlige materialer som knogle og æggeskal, så vi har nu en god forståelse af deres egenskaber.

For eksempel ved vi, at knogler er sammensat af hydreret protein og mineral i næsten lige store proportioner. Mineralet giver stivhed og hårdhed, mens proteinet giver sejhed og modstandsdygtighed over for brud. Selvom knogler kan knække, er det relativt sjældent, og de har fordelen ved at være selvhelende - en anden funktion, som ingeniører forsøger at bringe til biomimetiske materialer.

Ligesom knogle er æggeskal et sammensat materiale, men det er omkring 95% mineralsk og kun 5% hydreret protein. Men selv den lille mængde protein er nok til at gøre æggeskall meget hårdt i betragtning af dets tyndhed - som de fleste morgenmadskokke vil have bemærket. Den næste udfordring er at gøre denne viden til noget solidt.

Der er to måder at efterligne naturlige materialer på. Enten kan du efterligne sammensætningen af ​​selve materialet, eller du kan kopiere den proces, hvormed materialet blev fremstillet. Da naturlige materialer er fremstillet af levende væsner, er der ingen høje temperaturer involveret i nogen af ​​disse metoder. Som sådan tager biomimetiske materialer - lad os kalde dem "neo-bone" og "neo-æggeskal" - meget mindre energi at producere end stål eller beton.

I laboratoriet er det lykkedes os at fremstille prøver på centimeter-skala af neo-bone. Vi gør dette ved at forberede forskellige opløsninger af protein med de komponenter, der gør knoglemineral. Et sammensat neobenmateriale afsættes derefter fra disse opløsninger på en biomimetisk måde ved kropstemperatur. Der er ingen grund til, at denne proces - eller en forbedret, hurtigere version af den - ikke kunne skaleres op til et industrielt niveau.

Naturligvis er stål og beton overalt, så den måde, vi designer og konstruerer bygninger på, er optimeret til disse materialer. For at begynde at bruge biomimetiske materialer i stor skala skal vi overveje vores bygningskoder og standarder for byggematerialer fuldstændigt. Men så hvis vi ønsker at bygge fremtidige byer på en bæredygtig måde, er måske en større nytænkning nøjagtigt hvad der er behov for. Videnskaben er stadig i sin barndom, men det betyder ikke, at vi ikke kan drømme stort om fremtiden.