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【天富平台登录入口】研究人员利用活生物体的力量来制造坚固、耐受和有弹性的材料

生物系统可以利用其活细胞进行生长和再生,而工程系统到目前为止则不能。

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土木与环境工程专业的斯蒂芬·施兰克(Stephen Schrank)以及土木与环境工程系(CEE)的土木与环境工程学助理教授Wang说:“几个世纪以来,我们一直对天然材料的精密微观结构感到惊讶,特别是在发明显微镜观察这些微小结构之后。现在,我们迈出了重要的一步:我们使用活细菌作为工具来直接生长无法制造的惊人结构靠我们自己。”

研究人员研究特定细菌-巴氏酵母(S. pasteurii)-以分泌一种称为脲酶的酶而闻名。当脲酶暴露于尿素和钙离子时,会产生碳酸钙,这是骨骼或牙齿中发现的一种基本而坚固的矿物质。王说:“我们研究的关键创新在于,我们引导细菌生长碳酸钙矿物质,以实现与天然矿化复合材料相似的有序微观结构。”

王补充说:“细菌知道如何节省时间和精力去做事情。它们有自己的智慧,我们可以利用它们的聪明才智设计出优于完全合成材料的混合材料。

从大自然中汲取灵感在工程学中并不新鲜。就像人们可能会怀疑的那样,自然界中有很多复杂的矿化复合物的例子,这些复合物坚固,抗断裂,并且具有能量阻尼作用,例如珍珠母或软体动物周围的硬壳。

王说:“尽管细菌,真菌和病毒等微生物有时有害于引起疾病(例如冠状病毒),但它们也可能是有益的。我们在使用微生物作为工厂(例如使用酵母)方面已有悠久的历史。制造啤酒。但是使用微生物制造工程材料的研究有限。”

Wang说,结合了活细菌和合成材料,这种新的活材料显示出的机械性能优于目前使用的任何天然或合成材料。这主要归因于该材料的布氏配体结构,其特征是多层矿物以彼此不同的角度放置以形成一种“扭曲”或螺旋形状。这种结构很难综合创建。

Wang与USC维特比研究人员An Xin,Su Yipin Su,Yinliang Yan,Kunhao Yu,Feng Zhengzheng Feng和Kyung Hoon Lee合作。加利福尼亚大学欧文分校土木工程教授孙立志和他的学生冯胜伟提供了额外的支持。

形状是什么?

王说,矿化复合材料的关键特性之一是可以对其进行控制以遵循不同的结构或样式。研究人员很久以前就观察到了螳螂虾利用其“锤子”破坏肌肉壳的能力。仔细观察他的“锤子”(一种类似棍棒的结构或手),他们发现它被排列成一个布利根结构。这种结构比以更均匀的角度排列的结构具有更高的强度-例如,使材料的晶格结构与每一层交替90度。

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Wang说:“综合创建这种结构在该领域非常具有挑战性。” “因此,我们建议使用细菌来实现这一目标。”

为了建造这种材料,研究人员在3-D上打印了格子结构或脚手架。该结构内部有空的正方形,并且晶格层以不同的角度放置,以创建与螺旋形状一致的脚手架。

然后将细菌引入该结构。细菌本质上喜欢附着在表面上,并会被脚手架吸引,用它们的“腿”抓住材料。细菌在那里会分泌尿素酶,尿素酶会触发碳酸钙晶体的形成。它们从表面向上生长,最终填充3-D打印的晶格结构中的微小正方形或空隙。王说,细菌就像多孔的表面,使它们能够与矿物质形成不同的图案。

三连胜

CEE博士生安欣说:“我们进行的机械测试表明这种结构的强度非常高。它们还能够抵抗裂纹的传播-断裂-并有助于衰减或耗散材料中的能量。”

现有材料显示出出色的强度,抗断裂性和能量耗散,但是这三种元素的结合并没有像Wang和他的团队创造的生活材料那样有效。

王说:“我们制造的东西非常坚硬。” “直接的影响是用于航空航天面板和车架等基础设施。”

活性材料相对较轻,还为防弹衣或车辆装甲等国防应用提供了选择。与Wang合作的博士后Su Yipin Su表示:“这种材料可以抵抗子弹的穿透并从释放中散发能量,从而避免损坏。”

需要维修时,这些材料甚至有可能重新引入细菌中。

王说:“一个有趣的想法是,这些生物材料仍然具有自生特性。” “当这些材料受到损坏时,我们可以引入细菌使这些材料重新生长。例如,如果在桥梁中使用它们,则可以在需要时修复损坏。”

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