Основы Бионики. Учимся мудрости у Природы

Опубликовано 12.04.2015
Герман Кричевский   |   просмотров - 5587,   комментариев - 0
Основы Бионики. Учимся мудрости у Природы

Уважаемые коллеги !

В мае-июне 2015 года выходит новая книга профессора Германа Евсеевича Кричевского «Основы Бионики. Учимся мудрости у Природы». На портале Нанотехнологического общества России публикуются оглавление, введение и одна из глав этой книги. Заказать книгу можно по электронной почте gek20003@gmail.com.

 

Герман Евсеевич Кричевский

Оглавление.

Введение

1. История бионики

2. Определения и термины в бионике

3. Задачи и уровни развития бионики

4. Объекты живой природы и их функции как модели для решения технических задач

5. Биологические материалы и их принципиальное отличие от рукотворных материалов

6. Растительный мир и бионика

7. Животный мир и бионика

8. Бионика и TRIZ

9. Бионика и современный «умный» текстиль

10. Экономика и бионика

11. Основные выводы

12. Послесловие автора

13. Литература

14. Фотоальбом

Введение.

Почему автор, по образованию химик-технолог, даже более узко – химик-текстильщик, последовательно в своих книгах обращавшийся к более общим, фундаментальным проблемам и явлениям, таким как фотохимия, диффузия и сорбция, нанотехнологии, NBIC-технологии, теперь проявил интерес к новому направлению науки и практики – бионике (назовем ее пока так, как принято).

Причин несколько. Во-первых, люблю осваивать новые области, вообще, люблю учиться, а заодно пытаюсь учить других. Во-вторых, все эти фундаментальные области науки имеют непосредственное отношение к древней и вечно молодой технологии производства текстиля, особенно к химической технологии текстиля. Так было всегда, от начала цивилизации до настоящего времени. Производство текстиля, и, конечно, его химико-технологические принципы, всегда брало на вооружение самые передовые достижения химии, физики, математики, материаловедения. А сегодня производство нового поколения умного текстиля (в широком смысле) невозможно без самых современных NBIC- (нано-, био-, инфо-, когнито-) технологий и, конечно, без бионики, как составной, но вполне самостоятельной, определившейся части в области современной науки и практики. В-третьих, специалистов в области производства текстиля (и не только) необходимо постоянно и очень настойчиво просвещать и не давать им замыкаться на узкоспециальных проблемах технического характера. Убеждать их, что производство современного текстиля – это не отдельная, замкнутая традиционная технология, мало изменившаяся с момента ее зарождения. Так или почти так учат студентов в российских текстильных и родственных вузах. Это не просто так, а совсем не так. Производство текстиля стало объектом самых передовых технологий 21-ого века, междисциплинарной и межотраслевой областью знаний и практики.

Готовить специалистов по производству текстиля нужно принципиально иначе, чем это делается сегодня в отраслевых текстильных вузах. Несмотря на то, что все эти вузы называются, как и все учебные заведения РФ, университетами, университетским духом, принципами фундаментальности, междисциплинарности и конвергентности здесь и не пахнет. К тому же сама текстильная промышленность, находясь в глубоком системном кризисе, не ставит новые задачи в подготовке инженеров, технологов 21-ого века.

Эта книга об основах бионики, попытка показать на примере бионики, что новые технологические решения можно получить, изучив основные мудрости и премудрости природы, ее способы решать постоянно возникающие проблемы самыми экономичными, экологичными способами, с минимальными затратами энергии и материала.

Бионика (подробнее о терминах и определениях в других местах книги) – это изучение механизмов эволюции, функционирования, механизмов этих функций, структуры природных материалов, отличия природных и рукотворных технологий с целью применения в технике и инженерии принципов природных технологий. Человек с самого зарождения цивилизации направлял свой пытливый, творческий ум на изучение, «подглядывание» за природой и подражание ей с большим или меньшим успехом. Другими словами, сам того не понимая (как герой пьесы Мольера «Мещанин во дворянстве» не знал, что говорит прозой), занимался эмпирически бионикой. Особенно в начале цивилизации, связанной с окультуриванием растений, животных, их использованием в домашнем хозяйстве, это не что иное, как бионика.

До середины 18-ого века, до начала 1-ой промышленной революции подавляющее большинство материалов и основанных на их применении технологий были «природными» (волокна, красители, строительные материалы, лекарства, топливо и др.). И только 1-ая промышленная революция, развитие углехимии, а затем позднее нефте- и газохимии увели нас более чем на 100-150 лет от природных материалов и технологий к экстенсивным технологиям и производству (синтезу) огромного, порой избыточного разнообразия материалов (полимеров и не только), которые природа не производит, а, значит, и не умеет их аккумулировать и утилизировать. Природа для функционирования живой её составляющей использует всего два вида полимеров (белки и полисахариды), в то время как человек за 100-150 лет насинтезировал более трёхсот полимеров, не существующих в природе. И всё ему мало!

Человек использует неэкономичные, невозобновляемые и неэкологичные источники энергии (сжигает уголь, нефть и газ), производит атомную энергию по опасным технологиям. А природа использует единственный, практически неиссякаемый источник энергии – солнечную. Можно продолжить далее о преимуществах природных технологий, но для этого необходимо написать, кроме введения, еще и остальные части книги, из которых это должно следовать.

Конечно, у живой природы времени усовершенствовать свои интенсивные, энерго- и материалоэкономичные технологии было предостаточно (~ 3,8 миллиарда лет), и поэтому учиться у нее имеет полный смысл. А мы только сейчас начинаем делать это не эмпирически, не интуитивно, а на основе самых последних достижений науки. Только сейчас с помощью высокопрецизионных электронных микроскопов можно изучить молекулярные и наноуровни строения биологических материалов, с помощью IT-технологий создать математические и физические модели функционирования природы и перенести их в различные технические решения, в разнообразные области науки и техники.

Начнем последовательно излагать основы бионики (возможны и другие названия), как соединения биологии и техники с новой стороны, обнаруживая между ними принципиальные различия и сходства в функционировании, механизмах, материалах и способах решения задач с внутренними противоречиями. Начнем с определений и терминов, кратко изложим историю новой и древней бионики, дадим архетипическую характеристику биологических материалов (без них нет живой материи), приведем наиболее яркие примеры решения технических задач с помощью бионики (в том числе для создания «умного» текстиля), составим альбом («фотосессия») самых ярких примеров бионики, дадим список основных публикаций в области бионики и, конечно, не забудем об экономике.

Бионика, примыкающая часть к NBIC- (нано-, био-, инфо-, когнито-) технологиям, за последние 20-30 лет, используя успехи этих четырех прорывных технологий и, конечно, успехи биологии и биотехнологии, заняла самостоятельное место в прорывных конвергентных технологиях 21-ого века, соединив в себе как междисциплинарная область знаний и практик и знания живой природы, и успехи рукотворный инженерии, реализуя на практике синергетику взаимопроникновения всех высоких конвергентных технологий.

Технические решения на основе бионики охватывают практически все области науки и техники, притом что ее научный и практический потенциал только начинает реализовываться.

В названии бионика и других близких (биомиметика, биомимикрия) первой частью взято слово «био», означающее, что эта дисциплина призывает учиться у живой природы. Но человек на протяжении всего своего развития учился не только у живой, но и у неживой природы: весь каменный век, сооружения плотин, мельницы, римские термы, наконец, атомная энергия и энергетика, солнечные батареи и т.д.

Однако тогда нужно придумать другое название с первой частью слова Nature, или Природа, которое включает и живую и неживую природу. Но автор не берет на себя смелость вводить новое название в номенклатуру научных областей, а только делает замечание субъективного характера.


===============================================================================================

5. Биологические материалы, их принципиальное отличие от рукотворных материалов.

Без биологических материалов нет живой материи (нет биологии и бионики), поэтому для понимания основ бионики следует рассмотреть структуру, основные свойства биологических материалов, и что принципиально отличает их от материалов рукотворных, если мы хотим по образу и подобию первых создать вторые. Биологические материалы природа создавала, отбирала, улучшала в ходе эволюции, начав это делать еще ~ 3,8 миллиардов лет тому назад. Рукотворные материалы человек создает и использует не более 10-15 тысяч лет. Условия по времени несравнимые и результаты разные. Особенно бурно стало развиваться производство новых материалов, начиная с 1-ой промышленной революции, и далее происходит их рост по экспоненте. Все технологические уклады, начиная с 1-ого и по настоящее время (6-ой уклад), характеризуются новыми технологиями, новыми материалами и изделиями. Повторим, что человек за все это время создал огромное количество материалов: только за последние 60-70 лет создано более 300 новых полимеров, из которых произведены десятки тысяч новых материалов. И этот процесс продолжается.

Автор сам, будучи активным участником создания новых материалов, не отвергает, не перечеркивает этот этап экстенсивного развития человечества, но и как многие современные исследователи призывает уделить более пристальное внимание на живую природу и сочетать ее безусловные эволюционные успехи, уникальность природных материалов с успехами рукотворных материалов и инженерных технологий.

Это сочетание конвергенции и синергии как результата конвергенции, пожалуй, единственный путь решения планетарных, гуманитарных проблем глобальной устойчивой экологии, дефицита природных ресурсов, конфликта за обладание природными ресурсами. Потому что теоретически эти ресурсы в природе неисчерпаемы. Только эффективное использование солнечной энергии может решить проблему дефицита энергии и исчерпания невозобновляемых источников энергии (уголь, нефть, газ).

В этой главе рассмотрим основные особенности биологических материалов:

– что такое биологические материалы;

– как живая природа их создавала, отбирала по свойствам;

– что является главными строительными блоками биологического материала;

– каковы конструктивные принципы биологического материала;

– какова связь между структурой и свойствами биологического материала;

– примеры биологических материалов;

– принципиальное отличие биологических материалов от рукотворных.

5.1. Что такое биологический материал.

Биологические материалы формируются природой специально, целенаправленно для живых организмов, для их эффективной жизнедеятельности всего из 2-х видов полимеров (белки и углеводы) за счет биосинтеза (белки из 20-ти аминокислот) и фотосинтеза полисахаридов (из малого набора химических элементов, содержащихся в атмосфере, почве, водоемах и солнечной энергии).

В большинстве случаев биологический материал содержит живые клетки, а в некоторых случаях биологический материал не является живым, а является продуктом жизнедеятельности живого организма (паучий шелк, шелк кокона шелкопряда, перламутр жемчужины и др.). Следует отметить «аскетичность» природы в отборе очень небольшого числа строительных материалов – сырья для построения биологических материалов. Всего 20 аминокислот и небольшое число (кератин, коллаген, эластин, фибрин) видов белка, небольшое число видов углеводов, полисахаридов (целлюлоза, крахмал, хитин). Из этого «скудного» строительного набора природа создала огромное количество биологических материалов и из них многообразный мир окружающей нас флоры и фауны, да и нас с вами, тоже весьма многообразных.

В бионике в качестве одного из основных объектов исследования выбраны биологические материалы. Это обусловлено тем, что одним из самых больших успехов живой природы, её эволюции является уникальная структура и свойства биологических материалов. Именно биологические материалы (но, конечно, не только) служат и еще множество раз послужат моделью для новых рукотворных материалов и технических изделий на их основе. Особые успехи в этом направлении достигнуты в биомедицине, в репаративной хирургии, в создании имплантатов (кости, зубы, сухожилия, хрящи, кожа, мускулы, кровеносные сосуды и др.), в архитектуре, военном деле, во всех видах транспорта, в энергетике и т.д.

Изучение механизмов роста живых организмов и изменения, происходящие при этом с биологическим материалом (рост, болезни, самолечение, адаптация к изменениям), позволяют эти механизмы использовать в медицине, а также в создании конструкционных «умных», саморемонтирующихся, адаптирующихся к изменениям и условиям во внешней среде, рукотворных материалов (композиты различного типа). Это и есть бионика в её практическом воплощении.

5.2. Различные функции биологических материалов.

Биологические материалы выполняют многочисленные функции в живой природе. Перечислим некоторые наиболее важные из них:

– Барьерные (защитные в широком смысле) функции по отношению к многочисленным внешним и внутренним воздействиям (механические, химические, электрические, биохимические и др.). Эти функции выполняются не только поверхностью растений и кожными покрытиями биологических материалов, но и биоматериалами других органов.

– Резервация, т.е. выполнение функций депо для ионов различной природы (Ca, Na, K и др.), играющих большую роль в межклеточном обмене в живой природе.

– Каталитические функции, которые осуществляются через селективное действие многочисленных ферментов, без которых живая природа не способна функционировать.

– Перевод химической энергии в кинетическую энергию мышц.

5.3. Химическое строение (элементный состав) биологических и рукотворных инженерных материалов.

Как уже отмечалось ранее, многообразие биологических материалов формируется природой очень скупым набором строительных материалов (в основном белки и углеводы), эта аскетичность проявляется и в наборе химических элементов, из которых состоят биологические материалы по сравнению с рукотворными, инженерными. Для построения, формирования рукотворных материалов используют практически всю таблицу Менделеева, но главными из них являются Fe, Cr, Ni, Si, C, N, O.

В биологических материалах доминируют в основном «легкие» элементы: C, N, O, H, Ca, P, S, Si.

Принцип производства инженерных материалов – «точный» (по возможности) серийный «дизайн» с использованием твердого, жидкого, расплавленного сырья.

Биологические материалы формируются при обычных земных температурах и давлении в процессе роста организма и растут вместе с организмом под контролем аппарата наследственности. При этом каждый новый «экземпляр» организма не совсм похож на тот, который его «производит» (и слава Богу!). Мы в чем-то внешне похожи на наших родителей, но не являемся их копиями, о чем они часто сожалеют. А напрасно!

Сама стратегия формирования (дизайна) инженерных и биологических материалов существенно отличается, что хорошо видно из табл. 2.

Таблица 2. Сравнение формирования инженерных и биологических материалов.

Инженерные материалы

Биологические материалы

Производство: «статическая стратегия», из большого в меньшее

Рост: «динамическая стратегия», из малого в большое

Формирование микроструктурированных материалов с простой структурой

Иерархические, многоуровневые структуры от нано- до микро- и макро-

Выбор материала в соответствие с его предполагаемыми функциями

Адаптация формы и структуры материала в соответствие с их выполняемыми функциями

Неизменный дизайн (строение) в процессе использования с возможно максимальным запасом надежности (часто избыточным). Неизбежное старение материала

Адаптация к изменениям окружающей среды. Самолечение, саморемонт. «Умные» биологические материалы

В табл. 3 также показано различие между биологическими и рукотворными материалами.

Таблица 3. Сравнение биологических и инженерных материалов.

Биологические материалы

Инженерные материалы

Легкие распространенные химические элементы

Более тяжелые, более редкие химические элементы

Na, P, Cl, K, Ca H, C, N, O, Si, Fe, Ni, Al, Zn, Gr

Рост адаптивный

Производство из порошка металла, растворов и т.д.

Влияние внешних условий, самосборка

Заданная извне форма

Многоуровневая структура

Чаще всего монолитные или малоструктурированные

Взаимодействие поверхностей позволяет отдельно контролировать прочность и хрупкость

Слабое взаимодействие поверхностей приводит к слабому контролю хрупкости

Ответственность перед окружающей средой; природы перед самой собой

Слабая ответственность перед окружающей средой

Адаптация к внешним условиям через морфологию, «внутренний» рост, самопочинка

Старение


Как можно видеть, у обеих технологий имеются свои оптимальные технические ограничения и преимущества. Бионика ищет оптимальные технические решения, основываясь на успехах природы.

5.4. Конструкционные (структурные) принципы формирования биологических материалов.

Именно конструкционные (структурные) принципы формирования биологических материалов позволяют им при аскетичности химических исходных элементов и полимеров формировать исключительное многообразие биологических материалов с многочисленными функциями, что лежит в основе всего многообразия окружающей нас живой природы и самих нас как её части.

Перечислим основные конструкционные принципы биологических материалов:

– Высокая организация, иерархическая многоуровневая многообразная структура (от нм до м). В этом мы убедимся, когда будем рассматривать структуру биологических материалов, составляющих различные растения, животных, насекомых.

– Клеточная архитектура обеспечивает высокую прочность, надежность при минимальной затрате материала (без всяких отходов при формировании – только то, что необходимо для выполнения жизненных функций). Клеточная структура различных биологических материалов показана на рисунке 5.

– Широкое использование волоконной структуры с многообразными, необходимыми свойствами.

– Широкое использование нанокомпозитов, в которых жесткая и хрупкая фаза распределена в эластичной/мягкой матрице.

– Взаимодействие поверхностей обеспечивает повышение прочности, способности к деформации, способности к подвижности, проявлению противоположного характера свойств.

Рисунок 5. Клеточная структура различных биологических материалов.

Биологические материалы «сделаны» из одного или комбинацией двух полимеров: белков и полисахаридов (в основном шестичленные углеродные сахара). Механические свойства биологических материалов близки к материалам рукотворным при соизмеримой удельной плотности, как это показано на рисунке 6.

Рисунок 6. Механические свойства биологических и рукотворных материалов близкой удельной плотности.

Такая зависимость – это соревнование между биологическими материалами, технологиями и человеком, который использует более 300 различных синтетических полимеров, да еще дополнительно металлы и практически все элементы периодической таблицы, даже те, что природа не создала. Человек затрачивает на их получение огромную энергию (высокие и сверхвысокие температуры, высокое давление, сложные дорогие катализаторы, радиацию и т.д.) и получает материалы с механическими свойствами, близкими к биологическим материалам, но потом не знает, как эти материалы утилизировать после их использования, так как всё, что природа сама не создала, она биологически разложить не может, и эти материалы могут лежать неразложившимися тысячелетиями, напоминая потомкам о нашей беззаботности по отношению к природе. В лучшем случае эти материалы можно сжечь, затратив еще дополнительную энергию.

Природа – идеальный эколог и утилизатор – обходится двумя типами полимеров с двумя типами основных химических связей: пептидной –CO–NH– и глюкозидной –COC–, затрачивая на их образование и гидролиз незначительную энергию (биосинтез и биогидролиз). В обоих случаях нужны энзимы – катализаторы, солнце, хлорофилл. Все это проходит в мягких земных условиях. Блестящей технологии поддержания устойчивости в живой природе на нашей планете человеку остается только учиться.

Биохимические процессы в природе выгодно отличаются от обычной рукотворной химии: сложнейшие задачи функционирования многообразной природы (флора и фауна) решаются «простыми» методами с использованием соединений и химических элементов, доступных в земле, в воде и атмосфере: CHO, H2O, O, N, C, P, Si.

Природа «просто» создает и «просто» разрушает, создавая круговорот веществ в природе: жизнь – смерть – жизнь.

Большинство биологических материалов имеет меньшую удельную плотность, чем рукотворные, поэтому они, как правило, легче, чем искусственные при одних и тех же свойствах. Это связано с тем, что и белки и полисахариды имеют относительно невысокую удельную плотность; они образуются под строгим генетическим контролем за формированием биологических материалов во время их роста; сложная многоуровневая структура (от нано- до микро-) обеспечивает высокие физико-механические характеристики (прочность, надежность, эластичность) при одновременной легкости биологического материала.

Например, благодаря многоуровневой структуре белка паучьего шелка, его сложной уникальной физической структуре, он значительно прочнее стальной проволоки того же сечения, да еще и обладает способностью растягиваться.

Биологические материалы в необходимых и разных количествах содержат воздух (теплоизоляция) и воду (среда для биохимических и биофизических превращений), в небольших количествах металлы (Mg в хлорофилле, Fe в гемоглобине).

Успехи в области «синтетической» биологии позволили синтезировать отдельные аминокислоты (основа белков) и сами белки.

Белок эластин волоконной структуры был синтезирован Dan Urry, и было показано, что эластин может аккумулировать энергию разного вида: механическую, химическую, тепловую, электрическую, электромагнитную. Это свойство может быть использовано в биоинженерии. Эластичность эластина определяется его химическим строением (содержание 5-ти гидрофобных аминокислот: валин – пролин – глицин – валин – глицин в первичной структуре). Эти короткие участки цепи многократно повторяются и образуют спираль, которая в нормальных условиях организма в водной среде работает как резина. Если температура повышается, то вода испаряется и белок сокращается, переводя химическую энергию в механическую. Эти изменения обратимы. Используя этот принцип, можно получить много видов материала.

Например, заменяя в цепи эластина на конце цепи глицин на аланин, получают эластичный материал, способный плавиться и формоваться. При введении 2-х аминокислот глутамина на 100 аминокислотных остатков новый полимер начинает растворяться и при физиологических рН=3 переходит в эластичное твердое состояние. Dan Urry синтезировал полимер, способный поглощать энергию вибрации, произведенной двигателями (бесшумная подлодка, что особенно важно в военных условиях). Эластин также сейчас производят в форме волокон, используя in-vitro генетический метод. Этот материал используют при производстве платформы для роста костей и артериальных сосудов. Наметились первые успехи в «синтетической» биологии (бионика), например.

Рисунок 7. Основные виды биологических материалов и их функции.

Подобие паучьего шелка производят генетически, встраивая геном оригинального паучьего шелка в геном млекопитающих (например, коза) или других насекомых (тутовый шелкопряд) или микроорганизмов. Цель – использовать такой паучий шелк в медицине для производства сосудов и связок. Это очень интересное новое направление: не синтез новых полимеров, а модификация природных с помощью генной инженерии.

5.5. Пример некоторых биологических материалов.

Основные виды биоматериалов, хитиновые покрытия (полисахариды).

Гидрофобная структура хитинового покрытия насекомых не подвергается биоразложению и может быть устойчивой в течение тысячи лет, как это присуще синтетическим полимерам. Пока исключительные свойства хитинового покрытия насекомых, раков по показателю устойчивости синтетическими полимерами не достигнуты. Это связано с тем, что не удается определенным образом организовать структуру искусственного композита, в котором бы были ориентированы полимерные макромолекулы волокон в матрице как в природных хитиновых покрытиях.

Керамические композиты.

С энергетической точки зрения простейший путь – формировать прочные биологические ткани из кристаллического или полукристаллического карбоната кальция (например, арагонита, кальцита, дахлита), кремния (как опал), гидроксиапатита, доламита и других неорганических солей, которые относятся к группе «керамика». Простейшая биологическая «керамика» – это nacre/перламутр («мать жемчуга»). Перламутр имеет жесткость – 60-70 гПА, высокую работу износа (max 1,3 кДж/м2), прочность разрыва Кс~3-5 MН/m3.

Организм моллюска производит, формирует гибридный композит, который по своей прочности должен быть не по зубам (острым и прочным) обитателям морей и океанов. Гибридный композит состоит из неорганических и органических составляющих.

Первый обеспечивает прочность, второй – пластичность. Минеральная составляющая (~ 95 %) – это смесь карбоната и фосфата кальция и аморфного кремния, органическая составляющая (~ 5 %) – смесь биополимеров (кератин, коллаген, хитин). Один из наиболее изученных видов ракушек Haliotis Abalone (рис.8) отличается самой высокой прочностью.

Рисунок 8. Иерархическая структура ракушки Abalone.

Раковины – наружное защитное скелетное образование – «домик», покрывающий тела некоторых беспозвоночных животных и микроорганизмов. Перламутр – внутренний слой раковины некоторых моллюсков.

При попадании в раковину таких моллюсков посторонних частиц, например, песчинки, вокруг них образуется жемчуг, а вокруг него откладывается перламутр (материнское ложе жемчуга). Перламутр является одним из самых твердых биологических материалов обитателей морей и представляет собой гибридный минерало-органический композит, в основном в форме минерала арагонита и белка конхиолина (рогового вещества). Блеск и игра света (радужная окраска) перламутра и жемчуга (тоже гибридный комплекс - композит, но не столь прочный), обусловлены интерференцией света на сложной наноструктуре этих биологических материалов.

По образу и подобию структуры перламутра была создана ударопрочная керамика, устойчивая, как и перламутр, к растрескиванию. Структура прочной керамики состоит из множества микрокристаллов оксидов металлов, соединённых в тонкие стопки. Для образования трещин в таком материале им необходимо пройти более длинный путь, чем в монолитном материале. Самосборку кристаллов оксидов проводят из коллоидной суспензии при охлаждении и затем сливают осадок при высокой температуре.

Принцип многослойной гибридной структуры перламутра (Рис. 9) используют при создании ударопрочного лобового стекла автомобиля, бронежилета, при создании полимерной эластичной пленки.

Интересно отметить, что радужная окраска перламутра и жемчуга является не задуманным природой свойством. Зачем нужна окраска, тем более радужная, в темноте при закрытых створках ракушки? Однако при открытии створок человеком и при наличии определенной многоуровневой (в том числе и нано-) структуры при попадании света на перламутр и жемчуг по законам оптики человек видит их радужную окрашенными (перламутр) и светящимися (жемчуг).

Жемчуг – это вообще случайный, не задуманный природой, «незаконный» продукт. При попадании песчинок внутрь раковины, в которой моллюск творит биокомпозит – перламутр, вокруг песчинки формируется слой за слоем гибридный композит. Человек подсмотрел, воспользовался, да еще и научился делать искусственный жемчуг и перламутр. Влажность, морская вода только повышают прочность слоя (nacre), поскольку биополимеры даже в малом количестве пластифицируют структуру этого биокомпозита. Его разрывная нагрузка во влажном состоянии составляет 130-170 мРа.

Рис. 9. Структура перламутра.

Глубоководные океанические губки Venus basket (коробочка Венеры) – удивительный живой организм, состоящий из минерализованного каркаса-домика ажурной, многослойной, очень прочной структуры и действительно живых обитателей этого домика («его двуспальной кровати») – двух креветок мужского и женского пола. Для бионики представляет интерес именно ажурный и очень красивый домик - скелет, сформированный из минеральных волокон (Рис. 10). Эта структура обладает очень высокой прочностью и пластичностью за счет сочетания минеральной и биополимерной составляющей. Минеральные волокна обладают свойствами оптоволокна, но при этом в отличие от рукотворных выращиваются природой при низких температурах и обладают более высокой светопроводимостью. Прочность этих волокон, как и в случае других биокомпозитов, определяется не только химическим составом составляющих, но и многоуровневой структурой. Красота, эстетика и структура коробочки Венеры вдохновили архитекторов при проектировании высотного здания Swiss Tower в Лондоне.

Рис. 10. Губка Venus basket и ее иерархическая структура.

Химический состав и строение нитей этих губок изучается для создания нового поколения оптоволоконной техники. Область будущих интересов бионики по отношению Venus basket: волоконная оптика, солнечные батареи.

Природа каждый раз реализует различные варианты иерархической структуры биологических материалов (ткани, органы, кости, хрящи, мышцы и т. д.), с целью обеспечить их эффективную функциональность. Даже разные кости, выполняющие различные функции (большие и маленькие механические деформации), имеют близкий химический состав, но разную морфологию, архитектуру и даже распределение наночастиц по размерам и долям.

Кости и зубы как модель сверхпрочных композитов.

Кости и зубы имеются у млекопитающих, у рыб, у птиц. У каждого вида живого организма они обладают определенными особенностями в зависимости от выполняемых ими функций. Но все они по структуре относятся к гибридным биокомпозитам очень сложной многослойной, многоуровневой структуры (рис.11), и поэтому отличаются очень высокой механической прочностью.

Такая структура способна при различных видах деформаций гасить (диссипировать) энергию нагрузки на различных уровнях своей структуры за счет связей между органическими слоями вокруг отдельных фибрилл коллагена.

Рисунок 11. Иерархическая многоуровневая структура костей.

Зубы. Отдельный зуб состоит из двух основных частей – короны и корня (Рис. 12). Корона (коронка) – это внешний слой, дентин – средний слой и пульпа - канал во внутренней части. Внешний слой коронки покрыт эмалью, а корень – цементом. Эмаль – минерализованная бесклеточная.

Рисунок 12. Структура зуба.

Дентин образует объем зуба на 70 % и в основном состоит из белков (коллаген) и липидов, на 10 % – из воды; трубчатая структура дентина (рис.12) состоит из трубочек (~ 3 мкм), его плотность ~ 15 тысяч трубочек/мм2.

Сложная структура всех слоев зуба и дентина обеспечивает его прочность и эластичность. Эмаль, покрывающая коронку, очень твердая и прочная к механическим воздействиям, химическим веществам и микробам, содержащимся в разнообразной пищи и слюне.

Зубы, особенно у животных – хищников, остаются острыми (самозатачиваются) и прочными на протяжении долгого времени. Сухопутные, морские животные и рыбы – хищники способны перегрызать как плоскогубцами очень твердые материалы, например, электрокабели на суше и на дне моря.

Вышеописанная структура природных зубов учитывается при создании имплантатов (рис.13) и материалов (композиты на основе синтетического полимера и полиэтиленовых волокон) для лечения и восстановления зубов.

Рисунок 13. Имплантаты, созданные по образу и подобию природных зубов с использованием гибридных композитов.

5.6. Роль волокон и волоконной структуры в живой природе и в биологических материалах.

Автору, специалисту в области текстильной химии, где волокна различной природы являются главным объектом технологии производства текстиля, импонирует тот факт, что как в живой природе, так и в формировании биологических материалов волоконная структура и сами волокна играют важную роль и выполняют очень разнообразные функции. Следует выделить следующие характерные особенности волоконных структур и волокон в живой природе.

Волокна как волосяной покров животных состоят в основном из белка - кератина (уникальная структура редкосшитого полимера). Белковые волокна, как и большинство биологических материалов, имеют сложную многоуровневую иерархическую фибриллярную структуру (от нано- до миллиметров). Волокна выполняют роль теплоизолятора и защитного слоя от различных вредных воздействий окружающей среды. Это первый защитный (в широком смысле) рубеж животных организмов, перед главным защитным слоем – кожей. Человек, к сожалению, в значительной мере потерял этот первый эшелон обороны – волосяной покров, но зато приобрел более эстетичный (для самого себя, природе это безразлично) вид.

Волокна как строительный материал, используемый для выполнения биологических функций животных. Это, например, натуральный шелк тутового шелкопряда, используемый для формирования кокона, в котором во время летаргического сна шелкопряд превращается в бабочку. Шелковый кокон защищает на этот период куколку от внешних воздействий. Это паутина и паучий шелк пауков, используемые для ловли насекомых и даже маленьких птиц, для перемещения пауков в пространстве и для сохранения паучьих яиц.

Шелковые волокна, как и волосяной покров животных, состоят в основном также из белка, но другого химического строения и физической структуры – фиброина. Фиброин тутового шелкопряда и паучьего шелка мало отличаются по химическому составу (первичная структура белка), но существенно различаются по физической структуре. Это и понятно.

Все три вида животных волокон в живой природе выполняют различные функции: шерсть греет, шелк шелкопряда охраняет летаргический сон бабочки, паучий шелк ловит жертв пауков. Следовательно, волокна должны быть в первом случае теплоизолятором, во втором – погодостойкими, в третьем случае – очень прочными и эластичными. Так оно и есть. А поскольку все три волокна построены из белка, требуемые свойства достигаются вариациями в первичной, вторичной и третичной структурах белка, а также в морфологической структуре самих волокон.

5.7. Волокна как составные части (элементы) растений.

Растения в своем большинстве от самых больших (деревья) до средних (кусты, различные виды тростника, лубяные растения) и до самых маленьких содержат волокна (целлюлозные), выполняющие, как правило, конструкционную (прочность, гибкость, выносливость) роль.

Самое распространенное природное растительное волокно - хлопок представляет собой одноклеточное образование на поверхности семени хлопчатника и выполняет в естественных условиях вспомогательную роль в аэродинамическом перемещение зрелых семян из коробочки в почву для последующего произрастания. Поэтому первое требование природы к хлопковому волокну – погодостойкость, легкость, аэродинамичность (при созревании хлопка коробочка раскрывается, и из нее выпадают «семена» хлопка, планируют и падают на почву, где должны прорасти).

Чаще всего волокна в биологических материалах образуют природные композиты с другими неволоконными полимерными элементами и тем самым обеспечивают высокие физико-механические свойства этих композитов.

Природные волокна, как белковые так и целлюлозные, имеют высокую разрывную прочность и низкую прочность к сжатию (компрессия), поэтому для создания на их основе конструкционных природных (и инженерных) материалов необходимо формировать специальную структуру и форму (дизайн).

Волокна и волоконные структуры в живой природе метаболически интенсивно воспроизводятся и активно участвуют в многочисленных физиологических проявлениях.

Существует множество биологических материалов в форме биокомпозитов, содержащих волокна различной химической природы: клеточные стенки растений (целлюлозные волокна), покрытие насекомых (волокна из хитина), соединительные ткани (волокна коллагена и кератина), кости (волокна коллагена). Многие органы, ткани имеют в своем составе волокна различной природы. Например, мускулы содержат белковые, шелкоподобные, коллагеновые, эластиновые волокна. Подобные композиты обеспечивают необходимые физико-механические свойства (эластичность, прочность и т.д.). Это качество смесей биополимеров используется во многих областях медицины, в частности, в создании материалов для репаративной хирургии.

Очень интересна и иерархическая структура у древесины, в которой индивидуальные клетки переплетаются и образуют сложную разветвленную сетчатую структуру, способствующую равномерному распределению нагрузки. По подобию структуры древесины создаются искусственные композиты для пуленепробиваемых жилетов.

5.8. Основные выводы.

Основные выводы по разделу «Биологические материалы» сводятся к следующему:

– Построены из небольшого набора легких химических элементов.

– Материал и его архитектура изменяются от старта (рождения) до финиша под управлением генетического аппарата и проходят через самосборку по «динамической» стратегии, способствующей к гибким изменениям.

– Структура имеет многоуровневый иерархический характер (от нано- до м).

– Архитектура имеет твердую клеточную структуру, обеспечивающую высокие деформационные свойства.

– Многие биологические материалы имеют структуру волоконных композитов.

– Наноструктуры биологических материалов характеризуются встраиванием жесткой неорганической фазы в прочную органическую матрицу.

– Взаимодействие поверхностей характеризуется тем, что иерархические структуры различных строительных блоков могут объединяться.

Общей системной особенностью биологических материалов является сложная иерархия структуры.

Структура, многослойность, многоуровневость, морфология играют важнейшую роль и наряду с химическим строением определяют свойства материала. Инженеры, создающие новые материалы на основе принципов бионики, поняли это и широко используют, применяют компьютерное моделирование для формирования таких структур. Это используется при создании искусственных костей, мышц, хрящей, сухожилий, зубов, то есть, имплантатов. Сочетая такие материалы как металлы, керамика и полимеры, можно получать прочные, надежные, эластичные и легкие материалы.

Чем больше требуется функций, адаптивности от биологических материалов, тем сложнее, многослойней их структура (древесина, кости).

Такая сильная зависимость свойств, мультифункциональности, адаптивности биологических материалов от иерархии структуры позволяет природе создавать биологические материалы, органы, организмы из очень скупого, ограниченного числа видов исходного сырья (химические элементы, аминокислоты, белки, сахара и полисахариды). Чтобы создать великолепный, многообразный мир живой природы, понадобилось относительно малое число видов сырья, при том, что человек создает материалы и изделия из всех элементов периодической таблицы Менделеева. Но и этого ему мало. Он синтезирует химические элементы, которых нет в природе, синтезирует полимеры (~ 300 видов), которых нет в природе.

Для этого он все больше ужесточает условия синтеза новых материалов: сверхвысокие температуры, давление, неводные технологии с использованием органических растворителей, которые тоже природа не производит. Все это требует огромных затрат энергии из невозобновляемых источников (нефть, уголь, газ).

Человек должен научиться управлять формированием сложных, многоуровневых структур, создавая новые (особенно композитные материалы), но с помощью экологичных, природоподобных технологий. Немалую роль в этом могут и играют новые по структуре текстильные материалы (2d-, 3d-текстиль, полиаксиальные ткани, гибридные ткано-трикотажные, плетенные, в том числе шнуровые и др.) как наполнители конструкционных композитов. 


Комментарии:

Пока комментариев нет. Станьте первым!