Technologie inspirowane naturą – od futra niedźwiedzia do materiałów przyszłości

Czy futro kota stepowego może pomóc w projektowaniu nowoczesnych materiałów izolacyjnych? A włosy niedźwiedzia polarnego – w tworzeniu energooszczędnych technologii dla budownictwa? Naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie przekonują, że natura może być jednym z najlepszych nauczycieli inżynierii materiałowej.

Takie właśnie podejście stoi za współpracą inżynierów materiałoznawstwa z AGH z opiekunami zwierząt z wrocławskiego zoo. Naukowcy z Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej analizują strukturę włosów, piór czy futer różnych gatunków zwierząt, aby zrozumieć mechanizmy ich izolacyjności cieplnej. Prace realizowane są w ramach projektu BioCom4SavEn (Bioinspired Composites Strategies for Saving Energy) finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERC).

Prestiżowy grant ERC, który prof. Urszula Stachewicz z AGH zdobyła pięć lat temu, pozwolił stworzyć nowoczesne laboratorium, w którym kilkunastoosobowy zespół bada mechanizmy podpatrzone w naturze i implementuje je w rozwiązaniach technologicznych. Próbki przekazane końcem 2025 r. przez pracowników zoo pochodzą m.in. od reniferów, panter śnieżnych, manuli, wielbłądów, żubrów czy pingwinów przylądkowych. Badacze z AGH pracują wyłącznie na naturalnie zrzucanych włosach i piórach zwierząt lub pochodzących z rutynowych zabiegów pielęgnacyjnych w zoo. Jak podkreślają, przyroda stanowi ogromne laboratorium rozwiązań materiałowych.

– Natura tworzy rzeczy w sposób niezwykle przemyślany. Struktury, które obserwujemy u zwierząt czy roślin, powstały w wyniku milionów lat ewolucji i mają bardzo konkretny cel, np. ochronę przed ekstremalnymi temperaturami, zarówno niskimi, jak i wysokimi. Naszym zadaniem jako inżynierów jest zrozumieć, jak działają i spróbować przenieść te mechanizmy za pomocą nowoczesnej technologii – wyjaśnia dr inż. Daniel Ura z zespołu badawczego Electrospun Fibers Group.

Biomimetyzm – kiedy nauka podgląda naturę

Podejście nauki polegające na inspirowaniu się rozwiązaniami biologicznymi nazywa się biomimetyzmem. W praktyce oznacza to analizę naturalnych materiałów – ich struktury i właściwości – a następnie próbę odtworzenia tych cech w materiałach syntetycznych.

– Badamy to, co robi natura, i staramy się przenieść odkryte mechanizmy do naszych materiałów. Jeśli widzimy, że naturalna struktura jest porowata, próbujemy stworzyć podobną strukturę we włóknach polimerowych – podkreślają naukowcy.

Inspiracje z natury są dziś wykorzystywane w wielu dziedzinach technologii. Jednym z najbardziej ikonicznych na świecie przykładów jest aerodynamiczny kształt japońskich pociągów Shinkansen, inspirowany dziobem zimorodka. Dzięki zastosowaniu rozwiązań biomimetycznych nowe pociągi są m.in. szybsze, cichsze i zużywają mniej energii.

Futro – naturalny materiał izolacyjny

Dla biologa futro to element fizjologii zwierzęcia. Dla inżyniera materiałowego to struktura o precyzyjnie zaprojektowanych przez naturę właściwościach. Badacze z AGH analizują włosy czy pióra przy użyciu szeregu zaawansowanych technik, m.in. przy pomocy skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), mikroskopii sił atomowych, spektroskopii FTIR (techniki wykorzystującej promieniowanie podczerwone do badania drgań cząsteczek) czy testów mechanicznych. Pozwala to zobaczyć szczegóły struktury w skali mikro i nanometrowej.

– Czasami inspiracji naturą nie widać gołym okiem. Dopiero precyzyjna mikroskopia elektronowa pokazuje, jak niezwykle złożone są te struktury – tłumaczą badacze.

Sekret niedźwiedzia polarnego

Jednym z najlepiej znanych przykładów naturalnej izolacji jest futro zwierząt żyjących w niskich temperaturach, np. niedźwiedzia polarnego. Po przecięciu pojedynczego włosa pod mikroskopem okazuje się, że jego środek jest niemal pusty.

– Włos niedźwiedzia polarnego ma pusty rdzeń. Powietrze uwięzione wewnątrz działa jak bardzo dobry izolator. To właśnie dzięki temu futro zatrzymuje ciepło tak skutecznie – wyjaśniają badacze.

– Analiza włosów niedźwiedzia polarnego pokazuje, jak silnie środowisko wpływa na strukturę materiału biologicznego. Wstępne badania potwierdzają, że włosie zwierząt z różnych regionów świata wykazuje wyraźne różnice w budowie. Dla inżynierów to cenna wskazówka przy projektowaniu nowoczesnych materiałów izolacyjnych – podkreśla prof. Urszula Stachewicz kierująca zespołem.

Jak powstają materiały inspirowane naturą?

Aby odtworzyć strukturę włosów czy piór, badacze z AGH wykorzystują technikę elektroprzędzenia.

– Włókna polimerowe, które wytwarzamy metodą elektroprzędzenia, swoją budową przypominają włosy. Są jednak znacznie cieńsze, mówimy o skali mikro i nanometrów – tłumaczy dr inż. Daniel Ura.

Proces, w dużym uproszczeniu, polega na rozpuszczeniu polimeru w odpowiednim rozpuszczalniku, a następnie formowaniu z niego bardzo cienkich włókien w silnym polu elektrycznym.

– Po odparowaniu rozpuszczalnika zostają nam mikroskopijne włókna. Z milionów takich włókien powstaje bardzo lekka, porowata mata – dodaje.

Największą zaletą tej metody jest możliwość sterowania parametrami procesu.

– Możemy zmieniać różne parametry, m.in. temperaturę czy wilgotność. Zmiana jednego parametru potrafi całkowicie zmienić właściwości materiału, np. sprawić, że stanie się bardziej kruchy albo bardziej elastyczny – wyjaśnia naukowiec.

Technika elektroprzędzenia jest dziś jedną z najważniejszych metod wytwarzania nanowłókien w inżynierii materiałowej.

Co wiemy o głowie starca?

Inspiracją dla jednego z projektów badawczych okazała się roślina – kaktus Cephalocereus senilis, nazywany potocznie w języku polskim „głową starca”. Roślina ta pokryta jest gęstymi włóknami przypominającymi siwe włosy. Pod mikroskopem elektronowym okazuje się, że włókna mają ciekawą strukturę.

– Zobaczyliśmy, że na powierzchni włókien kaktusa znajdują się mikroskopijne wypustki i rowki. Te mikroskopijne struktury zaburzają ruch powietrza i utrudniają przepływ ciepła z zewnątrz – relacjonuje dr inż. Daniel Ura.

Naukowcy spróbowali odtworzyć tę strukturę w laboratorium.

– Udało nam się wytworzyć matę z milionów włókien o podobnej topografii powierzchni. Okazało się, że materiały z takimi rowkami izolują ciepło lepiej niż włókna gładkie – dodaje naukowiec.

Materiały inspirowane naturą podnoszą komfort życia człowieka

Jednym z najważniejszych zastosowań takich materiałów może być energooszczędne budownictwo. Lepsze materiały izolacyjne mogą znacząco zmniejszyć zapotrzebowanie na energię.

– Badaliśmy m.in. sytuację, w której przewód metalowy nagrzewa się pod wpływem przepływu prądu. Pokrywaliśmy go naszą matą z nanowłókien, żeby sprawdzić, jak wpływa ona na przepływ ciepła. Wyniki sugerują, że materiały inspirowane naturą mogą skutecznie ograniczać straty energii – opisują badacze.

Maty z nanowłókien mogą znaleźć wiele zastosowań: począwszy od izolacji elementów okien, przez lekkie tekstylia techniczne, materiały filtracyjne czy warstwy w maseczkach ochronnych.

– Takie materiały są bardzo lekkie i dobrze przepuszczają powietrze, a jednocześnie mogą mieć bardzo dobre właściwości filtracyjne i izolacyjne – podkreślają naukowcy działający w zespole Electrospun Fibers Group.

Badania nad futrem zwierząt czy włóknami kaktusa pokazują, że przyroda jest niezwykle skutecznym projektantem materiałów.

– Obserwacja natury może nas bardzo wiele nauczyć. Zwierzęta i rośliny przystosowały się do ekstremalnych warunków środowiskowych. Jeśli zrozumiemy te mechanizmy, możemy stworzyć materiały, które będą równie efektywne – przekonują badacze.

Dlatego, jak podkreślają, poznawanie i ochrona przyrody ma znaczenie nie tylko dla biologii.

– Natura jest ogromnym źródłem inspiracji dla technologii przyszłości. Im lepiej ją poznamy, tym więcej rozwiązań będziemy mogli przenieść do inżynierii, a tym samym do codziennego użytku – konkluduje prof. Urszula Stachewicz.

Źródło: informacja prasowa

Czytaj także: Na UJ powstał nowy środek przeciw chorobom grzybowym roślin