Eine Forschungsgruppe des VTT Technical Research Centre of Finland hat das Geheimnis hinter den außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften und dem ultraleichten Gewicht bestimmter Pilze entschlüsselt. Das komplexe architektonische Design von Pilzen könnte nachgeahmt und verwendet werden, um neue Materialien zu schaffen, die Kunststoffe ersetzen. Die Forschungsergebnisse wurden am 22. Februar 2023 in veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
Die Forschung von VTT zeigt zum ersten Mal die komplexen strukturellen, chemischen und mechanischen Eigenschaften, die der Hufpilz (Fomes fomentarius) im Laufe der Evolution angepasst hat. Diese Eigenschaften spielen synergetisch zusammen, um eine völlig neue Klasse von Hochleistungswerkstoffen zu schaffen.
Forschungsergebnisse können als Inspirationsquelle genutzt werden, um die nächste Generation mechanisch robuster und leichter nachhaltiger Materialien für eine Vielzahl von Anwendungen unter Laborbedingungen von Grund auf zu züchten. Dazu gehören stoßfeste Implantate, Sportgeräte, Körperpanzer, Exoskelette für Flugzeuge, Elektronik oder Oberflächenbeschichtungen für Windschutzscheiben.
Entschlüsselung der einzigartigen Mikrostruktur des Fomes-Pilzes
Die Natur bietet Einblicke in Designstrategien, die von lebenden Organismen entwickelt wurden, um robuste Materialien zu konstruieren. Der Zunderpilz Fomes ist eine besonders interessante Spezies für fortschrittliche Materialanwendungen. Es ist ein häufiger Bewohner der Birke mit der wichtigen Funktion, Kohlenstoff und andere Nährstoffe aus den toten Bäumen freizusetzen. Die Fomes-Fruchtkörper sind genial leichte biologische Designs, einfach in der Zusammensetzung, aber effizient in der Leistung. Sie erfüllen eine Vielzahl von mechanischen und funktionellen Anforderungen, zum Beispiel Schutz vor Insekten oder heruntergefallenen Ästen, Vermehrung, Überleben (unbevorzugte Textur und Geschmack für Tiere) und einen gedeihenden mehrjährigen Fruchtkörper durch wechselnde Jahreszeiten.
Die neue Forschung von VTT zeigt, dass der Fomes-Fruchtkörper ein funktional abgestuftes Material mit drei unterschiedlichen Schichten ist, die einer mehrskaligen hierarchischen Selbstorganisation unterliegen.
„Das Myzelnetzwerk ist die Hauptkomponente in allen Schichten. In jeder Schicht weist Myzel jedoch eine sehr unterschiedliche Mikrostruktur mit einzigartiger bevorzugter Ausrichtung, Seitenverhältnis, Dichte und Verzweigungslänge auf. Eine extrazelluläre Matrix wirkt als verstärkender Klebstoff, der sich in jeder Schicht unterscheidet Schicht in Bezug auf Menge, Polymergehalt und Interkonnektivität“, sagte Pezhman Mohammadi, leitender Wissenschaftler bei VTT.
Änderbare Struktur ermöglicht verschiedene Funktionen
Die Struktur von Fomes ist außergewöhnlich, da sie modifiziert werden kann, um verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Leistungen zu erstellen. Minimale Veränderungen in der Zellmorphologie und der extrazellulären Polymerzusammensetzung führen zu vielfältigen Materialien mit unterschiedlichen physikalisch-chemischen Eigenschaften, die die meisten natürlichen und künstlichen Materialien übertreffen. Während herkömmliche Materialien normalerweise mit Eigenschaftskompromissen konfrontiert sind (z. B. zunehmendes Gewicht oder Dichte, um Festigkeit oder Steifheit zu erhöhen), erzielt Fomes eine hohe Leistung ohne diesen Kompromiss.
„Das architektonische Design und die biochemischen Prinzipien des Fomes-Pilzes eröffnen neue Möglichkeiten für die Materialtechnik, wie z. B. die Herstellung ultraleichter technischer Strukturen, die Herstellung von Nanokompositen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften oder die Erforschung neuer Herstellungswege für die nächste Generation programmierbarer Materialien mit Hochleistungsfunktionalitäten .
„Darüber hinaus könnte der Anbau des Materials aus einfachen Zutaten dazu beitragen, die Kosten, den Zeitaufwand, die Massenproduktion und die Nachhaltigkeit der Art und Weise, wie wir Materialien in Zukunft herstellen und verbrauchen, zu überwinden“, erklärt Pezhman.
Mehr Informationen:
Robert Pylkkänen et al., Die komplexe Struktur von Fomes fomentarius stellt ein architektonisches Design für ultraleichte Hochleistungsmaterialien dar, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade5417