Био материали оживяват инженерни конструкции

Финансирани от ЕС изследователи използват биологичен материал за създаване на уникални нови материали, предназначени за използване в авиокосмическата промишленост и строителството. Те могат да се приспособяват към средата и да се възстановяват сами, благодарение на гъбички и бактерии.

от Михаела Несварова

Авторът на научна фантастика Артър Кларк е известен с мисълта си, че „всяка достатъчно напреднала технология е неразличима от магията”.

Кларк прави огромно впечатление на д-р Кунал Масания, доцент по конструкции и материали за авиокосмическата промишленост към Техническия университет в Делфт, Нидерландия.

„Тази мисъл винаги ме е вдъхновявала силно”, казва Масания. „С изследванията си се опитвам да внеса нещо като магия в живота на хората”.

Живи материали

Масания разработва така наречените от него „живи материали”, предназначени за авиокосмическата промишленост и транспорта. Тези живи материали са, точно както звучат, буквално живи. В тях има микроорганизми, като гъбички и бактерии, които им дават способността да поддържат целостта си и да се самолекуват.

Работата му може да изглежда като магия, но е реална и се развива добре.

Тя е част от петгодишен проект, наречен AM-IMATE, за който на Масания са предоставени безвъзмездни средства от Европейския съюз през януари 2023 г. Изследователският екип проучва потенциала за вграждане на биологични организми в новаторски нови материали за употреба в промишлеността и инженеринга.

„Целта е да се създадат инженерни конструкции, които могат да се държат като живи организми, имат способността да разпознават и да се приспособяват към механични напрежения”, казва Масания.

Гъбички от 3D печат

Разработваният от Масания материал е композитен материал, който комбинира живи клетки на гъбички с дървесина. Той се състои от хидрогел и мицел, кореноподобна структура на гъбичка, която нормално живее под земята.

„Избрахме да работим с гъбички, защото гъбичката е наистина здрав организъм, понася тежки условия и сравнително лесно се култивира”, казва Масания.

Освен това гъбичните клетки притежават голяма способност за свързване. Мицелът може да развие обширна сензорна мрежа, която му позволява да изпраща сигнали из целия организъм. Това означава, че учените могат да разпределят само малко на брой клетки в материала, а тези клетки ще се свържат отново и ще оформят сензорна мрежа.

За да произвежда тези живи материали, Масания е разработил специален метод за триизмерен печат и ново 3D печатарско мастило за него.

„Напредваме добре в това отношение и вече сме в състояние да получаваме нашия материал с триизмерен печат”, казва той.

Устойчив космос 

Биологичните материали могат да спомогнат за подобряване на ефективността и дълготрайността на критично важни конструкции, използвани в области като авиокосмическата промишленост и транспорта. Масания и екипът му например проучват използването на създаваните от тях композитни материали като основни материали за вътрешността на самолетите.

„Материалите ни са много леки и по-природосъобразни в сравнение с използваните понастоящем”, твърди Масания. „Сега интериорът на самолетите се изработва в голяма степен от пластмаса и метал. Ако ги заменим, повече няма да е необходимо да разчитаме на изкопаемите горива и можем да предложим по-добри решения при излизането им от употреба. Ако използваме живи материали, самолетните компоненти могат да се разглобяват и връщат в природата”.

Изследванията на Масания може превърнат в реалност дори това, което изглежда като научна фантастика.

„То може да представлява голям интерес за строителството в космоса или на други планети”, казва той. „Нашите живи материали могат да формират основата на нови местообитания, защото можете да използвате местни материали и да ги свържете заедно, като използвате гъбички”.

Облицовка за сгради на биологична основа

По-близо до дома материалите на биологична основа се използват освен това за разработването на нов съюзник за постигане на екологосъобразно строителство. Д-р Анна Сандак е експерт по материалознание със специален интерес към дървесината. Тя е доцент към Приморския университет в Копер, Словения, и заместник-директор и ръководител на катедрата по материалознание към словенския център за върхови постижения InnoRenew.

InnoRenew е създаден през 2017 г. с европейско, международно и национално финансиране, за да надгражда върху силните страни на Словения в изследванията на горското стопанство и дървесината. Целта е да се изследват новаторски възобновяеми материали за екологично строителство.

През 2022 г. Сандак и екипът ѝ в InnoRenew получават петгодишно безвъзмездно финансиране от ЕС за допълнителното развитие на концепцията за биоактивна жива система за покритие, която да се използва в строителната промишленост. Благодарение на това финансиране те разработват „жив” биофилм, който може да защитава различни строителни повърхности, в това число бетон, пластмаса и метал.

Идеята е, че тази жива облицовка може да се прилага за предпазване на строителните материали и да повиши издръжливостта и устойчивостта на сградите.

„Вместо да използваме синтетични химикали, биоциди и минерални масла, които не винаги са щадящи за околната среда, ние се насочваме усилията си върху разработването на природосъобразни решения”, казва Сандак.

Като използват живи организми, учените създават нови функционалности, които не могат да бъдат открити в стандартните материали.

„Добавяме ново измерение към материалите, което по-рано не съществуваше — живота”, казва Сандак. „В природата клетките имат многобройни фантастични свойства, които е много трудно, а и скъпо, да се постигнат при синтетичните материали. Живите материали са по-щадящи за околната среда, могат да се самолекуват, имат потенциала да пречистват въздуха и струват по-малко”.

Забавни гъбички 

Подобно на проекта AM-IMATE екипът на Сандак основно работи с гъбички.

„Те имат огромен потенциал”, твърди тя. „Растат фантастично бързо, имат висока преживяемост и не се нуждаят от много хранителни вещества. Гъбичките са забавни”.

Гъбичките вече присъстват в строителните обекти, но обикновено не са желателни, защото могат да повредят материалите. Екипът на Сандак обаче работи с конкретна гъбичка, която не е вредна и не разгражда материалите.

„Използваме „добрите”, за да спрем разпространението на „лошите”.

За да са сигурни, че изследванията им ще се прилагат в практиката, учените създават биопокритие, което е не само ефективно, но и привлекателно на вид. Изпитват го върху разнообразни материали и работят върху добавянето на различни цветове.

„Защото естетиката е важна в архитектурата”, казва Сандак.

Предвижда се крайният продукт да бъде покритие на водна основа, което може да се нанася като спрей, с четка или да се разстила върху широка гама от повърхности.

ARCHI-SKIN продължава до 2027 г. и според Сандак изследванията напредват бързо, а прилагането на покритието върху първата сграда няма да бъде далеч във времето.

„Вярвам, че ще е възможно нашето решение да се използва в рамките на следващото десетилетие”, твърди тя.

Въздействие върху обществото 

В случая с двата проекта учените получават ценни фундаментални знания за микроорганизмите, но както казват и двамата координатори на проектите, основният резултат от научното изследване трябва да бъдат приложенията в реалния живот.

„Искаме да направим нашия свят по-добро място”, казва Сандак.

„Вярвам, че определено ще станем свидетели на много повече приложения на материалите на биологична основа, като например в сградите и застроената среда, както и в потребителски продукти”, казва Масания. „Със задълбочаване на разбирането ни за тези материали ще последват още и още приложения”.

Изследванията в тази статия са финансирани от Европейския научноизследователски съвет (ЕНС). Възгледите на интервюираните лица не отразяват непременно позицията на Европейската комисия. Статията е публикувана за първи път в Horizon, списанието на ЕС за изследвания и иновации.