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华人科学家发明无可比拟的细菌材料:强韧且可再生

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  众所周知,生物系统可以利用它们存活的细胞进行生长和再生。然而到目前为止工程材料则不能这样。一般情况下,工程材料只具有某种特殊的属性,且不容易被改变,这种属性一旦被破坏,往往是不可逆的。

  那么,有没有可能使工程材料具有生物系统的生长和再生功能?答案是肯定的。

  近日,来自南加州大学维特比工程学院(USC Viterbi School of Engineering)的研究人员,正在利用存活的细菌来创建坚固、耐受且有弹性的工程材料。

  相关研究论文以 “Growing Living Composites with Ordered Microstructures and Exceptional Mechanical Properties” 为题,发表在《先进材料》(Advanced Materials)上。

  

  (来源:Advanced Materials)

  研究人员表示,活细菌将被直接用于制造人类无法制造、具有优异机械性能的惊人结构。未来,这项研究将有助于人们制造出更 “强” 的汽车、飞机和装甲,而且这些材料在使用期间可以在必要时及时修复损坏。

  细菌设计材料的能力

  几个世纪以来,人们一直对天然材料的复杂微观结构感到惊讶,尤其是人们在借助显微镜直接观察到这些微小结构之后。如今,人们向前迈出了重要的一步。

  在此次研究中,研究人员使用存活的细菌作为工具,直接生长出人们无法制造的惊人结构。论文的通讯作者、南加州大学助理教授王启明称赞这种材料说:“我们正在制作的材料是有生命的,并且是可以自我成长的。”

  在工程学中,从大自然中汲取灵感并不新鲜。因为自然界有许多复杂的复合物,这些复合物坚固、抗断裂,并具有能量阻尼作用,比如珍珠母或软体动物周围的硬壳。

  另外,自然界中还存在一种特殊的细菌 —— 巴氏杆菌(S. pasteurii),这种细菌以分泌一种被称为脲酶的蛋白质而闻名。研究人员发现,当脲酶暴露于尿素和钙离子时,就会产生碳酸钙。

  王启明表示:“我们研究的关键创新在于,我们引导细菌生产碳酸钙矿物质,以获得类似于天然矿化复合材料的有序微结构。细菌懂得如何节省时间和精力去做事情。它们有自己的智慧,我们可以利用这一点设计出优于完全合成材料的混合材料。”

  同时,他还表示,“尽管细菌、真菌和病毒等微生物有时会引起某种人类疾病,比如 COVID-19,但是它们可能也是有益的。我们在将微生物作为‘生产工厂’方面有着悠久的历史,比如使用酵母制造啤酒。但是,关于如何利用微生物制造工程材料的研究却十分有限。”

  这种新的生物材料已经显示出优于目前使用的任何天然或合成材料的机械性能,这主要归因于该材料的特殊结构 —— 多层矿物以不同的角度排列,形成一种 “扭曲” 或螺旋形状。

  人类无法制造的形状

  在这项研究中,矿化复合材料的一个关键特性是,可以遵循不同的结构或模式对它进行控制。

  研究人员在以往的研究中就曾观察到螳螂利用 “锤子”(一种类似于棍棒的结构或手)破坏肌肉壳的能力。通过仔细观察发现,螳螂的 “锤子” 排列在一个特殊的结构中,相较于以更均匀的角度排列的结构,这种特殊的结构具有更高的强度。比如,将材料的晶格结构与每层交替排列成 90°。

  综合创建这种结构在该领域非常具有挑战性。因此,南加州大学的研究人员使用细菌来实现这一目标。为了建造这种材料,研究人员使用 3D 打印的方式,建造了一种网格结构。这种结构内部有空的正方形,并且网格层以不同的角度铺设,以创建符合螺旋形状的结构。

  

  图 | 研究人员创造的生物材料结构 (来源:Advanced Materials)

  然后将细菌引入这个结构,细菌本质上喜欢附着在表面,并且会被预先制作好的结构所吸引,用它们的 “腿” 抓住材料。

  王启明表示:“细菌喜欢多孔的表面,这种特点就使它们能够与矿物质形成不同的模式。”

  细菌会分泌脲酶,这种酶会引发碳酸钙晶体的形成。它们从表面向上生长,最终填充在 3D 打印网格结构中的小正方形或空隙中。

  细菌材料性能无可比拟

  对此,论文作者之一 An Xin 说:“机械测试数据结果表明,这种结构的强度非常高。它们还能够抵抗裂纹的传播 — 断裂,有助于抑制或耗散材料中的能量。”

  

  图 | 细菌设计材料的过程(来源:Advanced Materials)

  现有的材料已经显示出这种材料在强度、抗断裂性和能量耗散方面的出色表现,但是所有三种元素的组合并没有像研究人员创造的活体细菌材料那样有效地发挥作用。

  “我们制造了一些非常坚硬的东西。直接的影响是用于航空航天面板和车辆框架等基础设施。” 王启明说。

  活性材料相对较轻,也为防弹衣或车辆装甲等防御方面的应用提供了选择。论文作者之一 Yipin Su 说:“这种材料可以抵抗子弹的穿透,并通过释放能量来避免损伤。”

  当需要修复时,这些物质甚至有可能被重新引入到细菌中。

  王启明说:“有趣的是,这些生物材料仍然具有自我生长的特性。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成原有的样子。例如,如果我们在桥梁中使用这些材料,则可以在需要的时候修复损坏。”

  相信在更多科技的推动下,会有越来越多的更加坚固可靠的机械材料应用于工程领域,以及在此基础上创造出更多性能强大的器械设备。

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