Od futra niedźwiedzia do materiałów przyszłości

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. ochrona 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

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 w włóknach polimerowych – podkreślają naukowcy.

Analiza włosów niedźwiedzia polarnego pokazuje, jak silnie środowisko wpływa na strukturę materiału biologicznego. Wstępne badania wskazują, że włosie zwierząt z różnych regionów świata wykazują 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?

Włókna polimerowe, które wytwarzamy metodą elektroprzędzenia, swoją budową przypominają włosy. Są jednak znacznie cieńsze, mówimy o skali mikro- i nanometrów – wyjaśnia 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. Największą zaletą tej metody jest możliwość sterowania parametrami procesu. Możemy zmieniać różne parametry typu temperaturę czy wilgotność. Zmiana jednego parametru potrafi całkowicie zmienić właściwości materiału, na przykład sprawić, że stanie się bardziej kruchy albo bardziej elastyczny – dodaje.

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

Dla lepszego komfortu życia

Badaliśmy między innymi 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 – podkreślają badacze.

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