Was uns Feuerameisen über die Herstellung besserer selbstheilender Materialien lehren können

Feuerameisen bilden Flöße, um Überschwemmungen zu überleben, aber wie funktionieren diese Bindungen? Und was können wir von ihnen lernen? Ein Professor der Binghamton University, State University of New York, erforscht diese Fragen, um unser Wissen über Materialwissenschaften zu erweitern.

Wenn eine Überschwemmung eine Region heimsucht, in der Feuerameisen leben, besteht ihre Überlebensreaktion darin, sich zu einem schwimmenden „Floß“ zusammenzuschließen, das schwimmt und die Kolonie zusammenhält. Stellen Sie es sich wie ein verdichtetes, anpassungsfähiges Material vor, bei dem die Bausteine ​​– einzelne Ameisen – tatsächlich lebendig sind.

Rob Wagner, Assistenzprofessor an der Binghamton University, leitete im Rahmen des Vernerey Soft Matter Mechanics Lab an der University of Colorado Boulder eine Studie, in der Forscher die adaptive Reaktion dieser lebenden Flöße untersuchten. Ziel ist es, zu verstehen, wie sie sich autonom verändern und ihre mechanischen Eigenschaften ändern, und dann die einfachsten und nützlichsten Entdeckungen in künstliche Materialien zu integrieren.

„Lebende Systeme haben mich schon immer fasziniert, weil sie Dinge erreichen, die unsere derzeitigen technischen Materialien nicht können – nicht einmal annähernd“, sagte er. „Wir stellen Massenpolymersysteme, Metalle und Keramik her, aber sie sind passiv. Die Bestandteile speichern keine Energie und wandeln sie dann in mechanische Arbeit um, wie es bei jedem einzelnen lebenden System der Fall ist.“

Wagner betrachtet diese Speicherung und Umwandlung von Energie als wesentlich für die Nachahmung des intelligenten und adaptiven Verhaltens lebender Systeme.

In ihre jüngste Veröffentlichung im Verfahren der Nationalen Akademie der WissenschaftenWagner und seine Co-Autoren an der University of Colorado untersuchten, wie Feuerameisenflöße auf mechanische Belastung reagierten, wenn sie gedehnt wurden, und verglichen die Reaktion dieser Flöße mit dynamischen, selbstheilenden Polymeren.

„Viele Polymere werden durch dynamische Bindungen zusammengehalten, die brechen, sich aber neu formieren können“, sagte Wagner. „Wenn diese Bindungen langsam genug gezogen werden, haben sie Zeit, das Material so umzustrukturieren, dass es – anstatt zu brechen – wie der Schleim fließt, mit dem unsere Kinder spielen, oder wie Softeis. Wenn man jedoch sehr schnell zieht, bricht es eher wie Kreide.“ . Da die Flöße durch aneinander klammernde Ameisen zusammengehalten werden, können ihre Bindungen brechen und sich neu formieren. Also dachten meine Kollegen und ich, sie würden dasselbe tun.

Aber Wagner und seine Mitarbeiter stellten fest, dass die mechanische Reaktion der Ameisenflöße unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der sie sie zogen, nahezu gleich war und sie nie flossen. Wagner vermutet, dass die Ameisen ihre Griffe reflexartig verstärken und verlängern, wenn sie Kraft verspüren, weil sie zusammenbleiben wollen. Sie lehnen ihr dynamisches Verhalten entweder ab oder schalten es ab.

Dieses Phänomen, bei dem Bindungen stärker werden, wenn Kraft auf sie ausgeübt wird, wird als Catch-Bond-Verhalten bezeichnet und erhöht wahrscheinlich den Zusammenhalt der Kolonie, was für das Überleben sinnvoll ist.

„Wenn man an typischen Bindungen mit etwas Kraft zieht, lassen sie früher los und ihre Lebensdauer verkürzt sich – man schwächt die Bindung, indem man daran zieht. Das sieht man in fast jedem passiven System.“ „sagte Wagner.

„Aber in lebenden Systemen kann es aufgrund ihrer Komplexität manchmal zu Fangbindungen kommen, die unter einem bestimmten Bereich der angewandten Kraft länger anhalten. Einige Proteine ​​tun dies mechanistisch und automatisch, aber es ist nicht so, dass die Proteine ​​eine Entscheidung treffen. Sie.“ Sie sind einfach so angeordnet, dass sie bei Krafteinwirkung diese Bindungsstellen freilegen, die einrasten oder „einrasten“.

Wagner glaubt, dass die Nachahmung dieser Fangbindungen in technischen Systemen zu künstlichen Materialien führen könnte, die in Regionen mit höherer mechanischer Belastung eine autonome, lokale Selbstverstärkung zeigen. Dies könnte die Lebensdauer biomedizinischer Implantate, Klebstoffe, Faserverbundwerkstoffe, weicher Robotikkomponenten und vieler anderer Systeme verlängern.

Kollektive Insektenansammlungen wie Feuerameisenflöße inspirieren Forscher bereits dazu, Materialien mit auf Reize reagierenden mechanischen Eigenschaften und Verhaltensweisen zu entwickeln. Ein Papier in Naturmaterialien Anfang dieses Jahres – unter der Leitung des Ware Responsive Biomaterials Lab an der Texas A&M und unter Einbeziehung von Beiträgen von Wagner und seinem ehemaligen Doktorvater, Professor Franck J. Vernerey – wurde demonstriert, wie sich Bänder aus speziellen Gelen oder Materialien, die als Flüssigkristallelastomere bezeichnet werden, durch Erhitzen aufrollen können. und verschränken sich dann miteinander, um verdichtete, festkörperartige Strukturen zu bilden, die von diesen Ameisen inspiriert wurden

„Eine natürliche Weiterentwicklung dieser Arbeit besteht darin, die Frage zu beantworten, wie wir die Wechselwirkungen zwischen diesen Bändern oder anderen weichen Bausteinen unter Last ‚fangen‘ können, wie es die Feuerameisen und einige biomolekulare Wechselwirkungen tun“, sagte Wagner.