Som verden sliter med Klima forandringer, må vi snarest finne måter å redusere CO på? utslipp. Sektorer som er sterkt avhengige av fossilt brensel, som energi og luftfart, blir ofte ansett for å være de verste lovbryterne. Men det de fleste ikke skjønner, er at det er en annen skyldige som gjemmer seg i synet; på gatene i byene våre, og i bygningene der vi bor og jobber.

I 2007 alene, stål og betong var hver ansvarlig for mer CO? utslipp enn hele den globale luftfartsindustrien. Før man når byggeplassen må både stål og sement bearbeides ved svært høye temperaturer – og dette tar mye energi. Så hvordan kan vi redusere vår avhengighet av disse "skitne" materialene, når de spiller en så avgjørende rolle i konstruksjonen?

Et alternativ er å bruke naturlige materialer, for eksempel tre. Mennesker har bygget med tre til tusenvis av år, og trekonstruksjoner er for tiden opplever en mindre oppblomstring - delvis fordi det er et billig og bærekraftig materiale.

Men det er noen ulemper med å bygge med tre; materialet kan fordreie seg i fuktige forhold, og er utsatt for angrep av skadedyr som termitter. Og selv om naturlige materialer, for eksempel tre, tiltaler fra et miljømessig perspektiv, kan de være utilfredsstillende for ingeniører som kanskje ønsker å lage komponenter i en bestemt form eller størrelse.

Kopierer livet

Så hva hvis vi, i stedet for å bruke naturlige materialer slik vi finner dem, lager nye materialer som er inspirert av naturen? Denne ideen begynte å få trekkraft i forskningsmiljøet i 1970s og eksploderte virkelig i 1990s, med utviklingen av nanoteknologi og nanofabrication metoder. I dag danner det grunnlaget for et nytt felt av vitenskapelig forskning: nemlig "biomimetikk" - bokstavelig talt "kopiering av livet".

Biologiske celler blir ofte referert til som “livets byggesteinerFordi de er de minste enhetene av levende materie. Men for å skape en multicellulær organisme som deg eller meg, må celler klumpes sammen med en støttestruktur for å danne biologiske materialer vi er laget av, vev som bein, brusk og muskler. Det er materialer som disse, som forskere som er interessert i biomimetikk, har vendt seg til inspirasjon.

For å lage biomimetiske materialer, må vi ha en dyp forståelse av hvordan naturlige materialer fungerer. Vi vet at naturlige materialer også er “kompositter”: de er laget av flere forskjellige basismaterialer, hver med forskjellige egenskaper. Komposittmaterialer er ofte lettere enn enkeltkomponentmaterialer, så som metaller, mens de fremdeles har ønskelige egenskaper som stivhet, styrke og seighet.

Lage biomimetiske materialer

Materialingeniører har brukt tiår på å måle sammensetningen, strukturen og egenskapene til naturlige materialer som bein og eggeskall, så vi har nå en god forståelse av deres egenskaper.

For eksempel vet vi at bein er sammensatt av hydratisert protein og mineral, i nesten like proporsjoner. Mineralet gir stivhet og hardhet, mens proteinet gir seighet og motstand mot brudd. Selv om bein kan gå i stykker, er det relativt sjelden, og de har fordelen av å være selv helbreding - En annen funksjon som ingeniører prøver å bringe til biomimetiske materialer.

Som bein er eggeskall et sammensatt materiale, men det er rundt 95% mineral og bare 5% hydrert protein. Likevel er til og med den lille mengden protein nok til å gjøre eggeskallet veldig tøft, med tanke på dets tynne - som de fleste frokostkokker vil ha lagt merke til. Neste utfordring er å gjøre denne kunnskapen til noe solid.

Det er to måter å etterligne naturlige materialer. Enten kan du etterligne sammensetningen av selve materialet, eller du kan kopiere prosessen som materialet ble laget til. Siden naturlige materialer er laget av levende vesener, er det ingen høye temperaturer involvert i noen av disse metodene. Som sådan tar biomimetiske materialer - la oss kalle dem "neo-bone" og "neo-eggshell" - mye mindre energi å produsere enn stål eller betong.

På laboratoriet har vi lyktes med å lage prøver på centimeter av nyben. Dette gjør vi ved å tilberede forskjellige oppløsninger av protein med komponentene som lager benmineraler. Et sammensatt neo-benmateriale blir deretter avsatt fra disse løsningene på en biomimetisk måte ved kroppstemperatur. Det er ingen grunn til at denne prosessen - eller en forbedret, raskere versjon av den - ikke kunne skaleres opp til et industrielt nivå.

Selvfølgelig er stål og betong overalt, så måten vi designer og konstruerer bygninger er optimalisert for disse materialene. For å begynne å bruke biomimetiske materialer i stor skala, må vi revurdere byggekodene og standardene våre for byggematerialer. Men så, hvis vi ønsker å bygge fremtidige byer på en bærekraftig måte, er kanskje en større nytenkning nøyaktig det som trengs. Vitenskapen er fremdeles i sin spede begynnelse, men det betyr ikke at vi ikke kan drømme stort om fremtiden.