Исследователи используют биологическую материю для создания новых уникальных материалов, которые могут адаптироваться к окружающей среде и самовосстанавливаться.

Писатель-фантаст Артур Кларк сказал, что «любая достаточно развитая технология неотличима от магии».

На доктора Кунала Масания, доцента кафедры аэрокосмических конструкций и материалов Делфтского технологического университета в Нидерландах, Кларк произвел огромное впечатление.

«Меня это всегда очень вдохновляло», — сказал Масания. «Благодаря своим исследованиям я пытаюсь привнести волшебство в жизнь людей».

Живые материалы

Масания разрабатывает то, что он называет «живыми материалами», для использования в аэрокосмической и транспортной отраслях. Эти живые материалы, как они и звучат, буквально живы. Они содержат такие микроорганизмы, как грибы и бактерии, которые придают им способность сохранять целостность и самовосстанавливаться.

Его работа может показаться волшебством, но она очень реальна и хорошо развивается.

Это часть пятилетнего проекта AM-IMATE, за который Масания получил грант Европейского Союза в январе 2023 года. Исследовательская группа изучает потенциал биологических организмов для интеграции в новые инновационные материалы для использования в медицине. промышленность и машиностроение.

«Цель состоит в том, чтобы создать инженерные структуры, которые могли бы вести себя как живые организмы, способные ощущать механические воздействия и адаптироваться к ним», — сказал Масания.

3D-печатные грибы

Материал, который разрабатывает Масания, представляет собой композит, сочетающий в себе живые клетки грибов и древесину. Он состоит из гидрогеля и мицелия — корневидной структуры гриба, который обычно обитает под землей.

«Мы решили работать с грибами, потому что грибы — это очень крепкий организм, они устойчивы к суровым условиям и их относительно легко культивировать», — сказал Масания.

Более того, грибковые клетки обладают прекрасной способностью соединяться. Мицелий может вырастить обширную сенсорную сеть, которая позволяет ему посылать сигналы по всему организму. Это означает, что ученые могут распределить по всему материалу лишь несколько клеток, и эти клетки воссоединятся и сформируют сенсорную сеть.

Для производства этих живых материалов Масания разработала специальный метод 3D-печати и новые чернила для 3D-печати.

«Мы добились хорошего прогресса в этом отношении и уже можем печатать наши материалы на 3D-принтере», — сказал он.

Устойчивое пространство

Биологические материалы могут помочь улучшить характеристики и долговечность критически важных конструкций, используемых в таких областях, как аэрокосмическая промышленность и транспорт. Например, Масания и его команда изучают возможность использования своих композитов в качестве основного материала для внутренней отделки самолетов.

«Наши материалы очень легкие и более экологичные, чем материалы, используемые в настоящее время», — сказал Масания. «В настоящее время салон самолетов состоит в основном из пластика и металла. Если мы заменим их, нам больше не придется полагаться на ископаемое топливо, и мы сможем предложить лучшие решения по окончании срока службы. Если мы будем использовать живые материалы, самолет компоненты могут быть демонтированы и возвращены в природу».

Исследование Масании, возможно, даже направлено на то, чтобы воплотить в реальность то, что кажется научной фантастикой.

«Это может быть очень интересно для строительства в космосе и на других планетах», — сказал он. «Наши живые материалы могут стать основой новых сред обитания, потому что вы можете использовать местные материалы и связывать их вместе с помощью грибов».

Строительная обшивка на биологической основе

Ближе к дому материалы на биологической основе также используются для разработки нового союзника в области устойчивого строительства. Доктор Анна Сандак — эксперт в области материаловедения, специализирующийся на древесине. Она является доцентом Приморского университета в Копере, Словения, а также заместителем директора и главой отдела материалов словенского центра передового опыта InnoRenew.

InnoRenew была создана в 2017 году с помощью ЕС, международного и национального финансирования для развития сильных сторон Словении в области лесного хозяйства и исследований древесины. Целью было исследование инновационных возобновляемых материалов для устойчивого строительства.

В 2022 году Сандак и ее исследовательская группа InnoRenew получили пятилетний грант ЕС на дальнейшую разработку концепции биоактивной системы живых покрытий для использования в строительной отрасли. Благодаря этому финансированию они разрабатывают «живую» биопленку, способную защитить различные строительные поверхности, включая бетон, пластик и металл.

Идея состоит в том, что эту живую кожу можно будет применять для защиты строительных материалов и повышения устойчивости зданий.

«Вместо использования синтетических химикатов, биоцидов и минеральных масел, которые не всегда безвредны для окружающей среды, мы концентрируемся на разработке натуральных решений», — сказал Сандак.

Используя живые организмы, ученые создают новые функциональные возможности, которые невозможно найти в обычных материалах.

«Мы добавляем к материалам новое измерение, которого раньше не существовало, — жизнь», — сказал Сандак. «В природе клетки обладают множеством фантастических свойств, которых очень сложно и дорого достичь в синтетических материалах. Живые материалы более экологичны, могут самовосстанавливаться, способны очищать воздух и стоят дешевле».

Веселые грибы

Как и проект AM-IMATE, команда Сандака работает в основном с грибами.

«У них огромный потенциал», — сказала она. «Они фантастически растут, имеют высокую выживаемость и не нуждаются в большом количестве питательных веществ. Грибы — это весело».

Грибки уже встречаются на строительных площадках, но их появление обычно нежелательно, поскольку они могут повредить материалы. Однако команда Сандака работает с особым грибком, который безвреден и не разлагает материалы.

«Мы используем «хороших парней», чтобы остановить распространение «плохих парней».

Чтобы их исследования были реализованы на практике, ученые создают биопокрытие, которое не только эффективно, но и визуально привлекательно. Они тестируют его на различных материалах и работают над добавлением разных цветов.

«Потому что эстетика важна в архитектуре», — сказал Сандак.

Предполагается, что полученный продукт будет представлять собой покрытие на водной основе, которое можно будет распылять, наносить кистью или наносить на широкий спектр поверхностей.

ARCHI-SKIN действует до 2027 года, и, по словам Сандака, исследования продвигаются довольно быстро, и совсем скоро их покрытие можно будет нанести на первые здания.

«Я считаю, что наше решение можно будет использовать в течение следующего десятилетия», — сказала она.

Социальное воздействие

В случае обоих проектов ученые получают ценные фундаментальные знания о микроорганизмах, но, как говорят оба координатора проекта, главным результатом исследований должно стать их практическое применение.

«Мы хотим сделать наш мир лучше», — сказал Сандак.

«Я считаю, что мы определенно начнем видеть гораздо больше применений материалов на биологической основе, например, в зданиях и искусственной среде, а также в потребительских товарах», — сказал Масания. «По мере того, как наше понимание этих материалов будет развиваться, за ними последует все больше и больше применений».