I biofilm sono generalmente visti come un problema da eliminare a causa dei rischi che rappresentano per l'uomo e i materiali. Però, queste comunità di alghe, funghi o batteri possiedono proprietà interessanti sia dal punto di vista scientifico che tecnico. Un team dell'Università tecnica di Monaco (TUM) descrive i processi nel campo della biologia che utilizzano i biofilm per creare modelli strutturali per nuovi materiali che possiedono le proprietà dei materiali naturali. Nel passato, questo era possibile solo in misura limitata.
Nel corso di milioni di anni, materiali naturali come il legno, l'osso e la madreperla sono stati ottimizzati tramite l'evoluzione secondo il principio della stabilità adattata con il minor peso possibile. La natura ha ispirato molti sviluppi tecnici. Gli esempi includono le ali degli aeroplani, cerniere e sigillanti superficiali con effetto loto. Però, il reverse engineering non può riprodurre in natura la complessità strutturale dell'originale.
"In natura, troviamo molti materiali con proprietà che i materiali artificiali non sono in grado di replicare nello stesso identico modo, " ha detto il professor Cordt Zollfrank, che svolge ricerche sui principi di base per lo sviluppo di nuovi materiali insieme al suo team presso la Cattedra di polimeri biogeni presso il TUM Campus Straubing for Biotechnology and Sustainability.
Problemi più grandi al livello più piccolo
Come interfaccia tra biologia e tecnologia, la bionica utilizza metodi e sistemi presenti in natura per fornire soluzioni a problemi tecnici. Quando era ancora limitato all'uso di forme naturali, per esempio. come modelli per lo sviluppo nella progettazione di ali di aeroplani o scafi di navi, i problemi sono rimasti gestibili. Però, imitare le proprietà materiali dei materiali da costruzione naturali è una storia completamente diversa. Questo perché si trovano nelle strutture interne, dove le fibre sono collegate tra loro su diversi ordini di grandezza e attraverso vari livelli gerarchici.
"Generalmente, le principali fonti di proprietà meccaniche dei materiali come elasticità, forza e tenacia si trovano al livello più piccolo di queste gerarchie, soprattutto su scala nanometrica, " ha spiegato il dottor Daniel Van Opdenbosch, un caposquadra alla sedia di Zollfrank e uno degli autori dell'articolo, descrivendo il problema principale quando si tenta di tradurli in soluzioni tecniche. Però, quando i microrganismi stessi o le loro secrezioni creano il materiale, le reti complesse tecnicamente sofisticate sono già completamente formate.
Il futuro della bionica
In un articolo per la rivista Materiale avanzato , i ricercatori di TUM presentano una serie di procedure nel campo della biologia che utilizzano la luce, calore, substrati appositamente preparati, e altri stimoli per guidare la direzione del movimento dei microrganismi lungo percorsi molto specifici. "Questi risultati biologici per il controllo dei microbi tramite stimoli mirati daranno forma al futuro della ricerca sui materiali, " ha affermato il professor Cordt Zollfrank. Questo perché consentono di creare modelli su misura per nuovi materiali con strutture naturali dei microbi stessi o delle loro secrezioni. "Con il nostro articolo, vogliamo mostrare la direzione che questo viaggio ci porterà nel campo della scienza dei materiali ispirata biologicamente, " disse il professore.
Modellazione senza contatto
Daniel Van Opdenbosch e il suo gruppo stanno già utilizzando con successo alcuni di questi metodi a Straubing. Nell'ambito di un progetto Reinhart Koselleck della Fondazione tedesca per la ricerca (DFG), i ricercatori stanno sfruttando le proprietà speciali delle alghe rosse, la cui direzione di movimento dipende dall'esposizione alla luce, e che secernono catene dalle molecole di zucchero. Proiettando modelli di luce che cambiano nel tempo nel mezzo di crescita delle alghe, i ricercatori li usano per creare lunghi, fili sottili del polimero, che fungono da modelli personalizzati per la produzione di ceramiche funzionali.
Con l'aiuto delle alghe, è possibile creare un numero qualsiasi di modelli per un'ampia varietà di applicazioni, che vanno dagli elettrodi della batteria alle nuove tecnologie di schermi e display alle applicazioni in medicina, come sostituzione ossea e tissutale. Sebbene la capacità di sviluppare microstrutture complesse come interi componenti e altri materiali strutturati gerarchicamente sia ancora molto lontana nel futuro, potrebbe presto diventare una realtà tangibile grazie alla ricerca di base svolta dai ricercatori di Straubing.
