Vi erbjuder

Superstark räka inspirerar till nya material

Kardborrband, hajskinnsdräkt och det japanska snabbtåget är uppfinningar som inspirerats av naturen. Den senaste nykomlingen i forskningsfältet biomimetik är ett lätt och stark material som kommer från en liten räka.
Publicerad: Uppdaterad:

I ett akvarium ligger en mussla. Den lilla, vackra räkan med namnet peacock mantis shrimp närmar sig, tar ett grepp om musslan och slår några gånger med en hammare som sitter på dess huvud. Det verkar lika simpelt som att knäppa med fingrarna. Musslans skal spräcks och räkan simmar iväg med den, troligen för att äta upp innehållet. Men slagen som peacock mantis shrimp delar ut är allt annat än en fingerknäppning.

Stark och lätt

Räkan skulle kunna slå sönder akvariets glasruta och därför får den leva i speciella vattentankar i forskarens David Kisailus laboratorium i Kalifornien. Dessutom bedrar dess vackra yttre, räkan är aggressiv och varje djur måste hållas i en enskild tank för att den försvarar sitt territorium. David Kisailus har länge varit intresserad av att utveckla ett material som är både starkt och lätt och hade tidigare studerat hur räkan går till attack.
– Vi ville kartlägga egenskaperna av den lilla hammaren i detalj och lära oss mer om dess struktur, säger han.

Arkitektur med styrka

Redan när David Kisailus och hans kollegor studerade hammaren med hjälp av ett elektronmikroskop kunde de se tre tydliga regioner.
– Det var nästan chockerande hur uppenbart det var. Vi kunde till och med se att det fanns tre regioner när vi använde ett vanligt mikroskop med mycket sämre förstoring, berättar David Kisailus.
Detaljstudier visade att den första regionen, som finns vid hammarens yta, har en hög halt av mineraler och är mycket lik mänsklig ben. Det här materialet slår sönder räkans byte. Regionen under består av vridna lager av kitin, ett slags sockermolekyl som är släkt med cellulosa. Det fungerar som en stötdämpare. Mellan lagren av kitin hittade forskarna dessutom ett tunt lager av mineral som bidrar till ytterligare stabilitet. Ännu ett lager av kitin lindar in sidorna av hammaren.
– Hammarens arkitektur gör den otrolig stark. De hårda slagen absorberas av lagret under och det yttre lagret fungerar ungefär som tejp på en boxares nävar, den förhindrar att hammaren expanderar.

Lätta bilar och flygplan

Kartläggningen av det extremt lätta och starka materialet är bara första steget. Målet är att efterlikna det och att använda det, till exempel för att bygga lätta bilar och flygplan som drar mindre bränsle.
– Detta material skulle passa speciellt bra för elbilar. Om själva bilen väger mindre skulle batteriet räcka mycket längre, säger David Kisailus.
Ett annat tillämpningsområde är skyddande hjälmar, till exempel till amerikanska fotbollsspelare som ofta får hjärnskakningar. Forskargruppen har redan börjat tillverka en prototyp av materialet, en platta som är 25x25 cm stor och 1 cm tjock. Den kan stoppa en gevärskula i luften.
– Och då har vi inte ens tillämpat alla egenskaper som det naturliga materialet har, kommenterar David Kisailus.

Naturen har ett försprång

David Kisalius påpekar att naturen har haft hundratusentals eller miljontals år på sig att utveckla och anpassa materialet till de krav som ställs. Förutom en betydligt kortare tidsperiod har ingenjörer dessutom en tendens att utveckla perfekta material.
– Det betyder att när materialet går sönder så gör den det på riktigt. Konsekvenserna är ofta katastrofala. Naturliga material har små fel och brister från början, därför påverkar små skador inte lika mycket.
Han observerade till exempel att den stötdämpande regionen av räkans hammare ofta hade sprickor. Den vridna konstruktionen av materialet förhindrade spridning av sprickorna och hammaren fungerade ofta lika bra.

Nanobyggstenar och tvärvetenskap

För att kunna efterlikna naturliga material är det nödvändigt att använda sig av byggstenar i nanostorlek, annars blir strukturen för stor. Dessutom behövs en bred vetenskaplig kunskap.
– Jag själv är utbildad kemiingenjör, disputerade inom materialvetenskap och gjorde en postdok inom molekylärbiologi. Alla dessa kunskaper har jag användning av i min forskning, berättar David Kisailus.
Hans forskargrupp består av studenter, doktorander och postdoks ifrån olika discipliner just för att skapa en tvärvetenskaplig miljö. I framtiden, menar David Kisailus, måste forskare vara utbildade inom minst två eller tre discipliner för att kunna ta sig an större frågeställningar för ett hållbart samhälle.

Utmaningar

Förutom fascinationen för naturen förenas forskarna inom biomimetik av visionen att kunna skapa material som är naturliga och som kräver lite energi. De flesta byggstenar finns redan i överflöd i naturen och de flesta processer kan utföras i rumstemperatur. Likaså kan produkten sedan slängas eller förstöras utan att det påverkar miljön.
– En av de stora utmaningarna för dagens samhälle är att lösa energi- och miljöfrågorna. Nya material som produceras med naturliga råvaror under naturliga förhållanden är en del av lösningen. Vi fokuserar på att tillverka material som har en tillämpning i till exempel produktion och lagring av energi eller vattenrening.

Av Natalie von der Lehr

Biomimetik på frammarsch

Ett växande forskningsfält som undersöker hur naturen är uppbyggd och försöker efterlikna det i olika applikationer.
Några exempel:
• Kardborrband inspirerades av tistlar som fastnade i kläderna
• Hajskinnsdräkten liknar hajens hud och har minimalt motstånd i vatten
• Det japanska snabbtåget Shinkansen 500 har fått sin spetsiga form från kungsfiskaren näbb
• Eiffeltornet konstruerades enligt strukturen inne i ett mänskligt höftben
• Geckotejp efterliknar geckons fötter

Andra material med inspiration av naturen

• Algbatteriet laddas på tio sekunder (testas nu för tillämpning i elbilar av Motorola)
• Spindeltrådar kan användas som underlag för odling av celler och vävnad  

 

”Någonting hårt, någonting mjukt och någonting klibbigt”

 Lennart Bergström, materialforskare vid Stockholms universitet, menar att den grundläggande designen på hammaren liknar principen som vi redan känner till .
– Det är ungefär som en cykelhjälm med ett hårt skal som skyddar på utsidan och ett mjukt material som fördelar slagenergin över en större yta, säger han.
Men detaljerna är ändå överraskande, som till exempel vridningen av det inre lagret.
– Den stora utmaningen är att utveckla effektiva processer att bygga upp material med liknande egenskaper, helst från förnyelsebara råvaror, menar Lennart Bergström Forskningen inom biomimetik är till stor del fokuserad på att utveckla en verktygslåda för att kunna bygga de nya materialen. Enligt Lennart Bergström behövs tre olika typer av byggstenar för att åstadkomma en struktur som är stark och lätt:
• Någonting som är hårt för skyddande egenskaper
• Någonting som är fibröst eller mjukt för att absorbera slagenergin
• Någonting gummi- eller limliknande som håller ihop strukturen

Kommentarer

Kommentera
Naturvetarna sparar viss data (cookies) för att ge dig en bättre upplevelse. Genom att använda Naturvetarnas webbplats godkänner du detta / Om cookies