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既坚固又强硬 利用细菌可制造汽车材料

李娜 发布时间: 2021-02-26

如果有人告诉你,细菌并不可怕,甚至还能制造出坚固、耐受和有弹性的工程材料,你会怎么想?这并非一种幻想,而是南加州大学维特比工程学院(USC Viterbi School Of Engineering)发表在《Advanced Materials》(译为:《先进材料》)上的研究论文。

研究人员研究的是一种特殊的细菌——巴氏葡萄球菌(S. pasteurii),这种细菌以分泌一种名为脲酶的酶而闻名。当脲酶暴露在尿素和钙离子中时,会产生碳酸钙,这种矿物质化合物是骨骼或牙齿中的重要组成部分。

在此项研究中,关键创新之处在于引导细菌生长碳酸钙矿物质,以获得与天然矿化复合材料相似的有序微结构。研究人员Qiming Wang表示:“细菌知道如何节省时间和精力去做事情,它们拥有自己的智慧,我们可以利用它们的聪明才智设计出优于合成材料的混合材料。”

事实上,从大自然中汲取灵感在工程学中并不新鲜。“尽管细菌、真菌和病毒等微生物有时会有害于引起疾病,但它们也可能有益。我们使用微生物材料进行加工已有悠久的历史,如使用酵母来酿造啤酒。但是关于利用微生物制造工程材料的研究有限。”Qiming Wang表示。

新生物材料将活细菌和合成材料结合在一起,所表现出的机械性能优于当前的任何天然或合成材料。在很大程度上,这是受益于材料中的球粒结构,其特征是多层矿物质相互之间以不同的角度排列,形成一种“扭曲”或螺旋形状。这种结构很难仅仅通过合成的方式制造,因此研究人员使用细菌来实现这一目标。

为了制造这种材料,研究人员3D打印出格子结构,其中为空方格,并使格子层以不同的角度铺设,从而形成螺旋形状。然后,将细菌引入该结构中。细菌天生喜欢附着在表面上,因此会用它们的“腿”抓住材料。接着,细菌会分泌脲酶,促使形成碳酸钙晶体。它们沿着表面生长,最终会填满网格结构中的小方格或空隙。

“我们做了机械测试,证明这种结构的强度非常高。他们还能够抵抗裂纹扩展断裂,并有助于抑制或耗散材料内部的能量。可应用于航空航天面板和车架等基础设施。”博士生An Xin说。另外,这种活性材料相对较轻,也可以为防弹衣或车辆装甲等防御应用提供材料上的选择。

当需要维修时,甚至可以在这些材料中重新加入细菌。研究人员表示:“这些生物材料仍然具有自我生长的特性。当材料受损时,我们可以加入细菌使其重新生长。例如,如果我们将其应用于车架上,可以在必要时修复受损材料。”(消息来源:viterbischool;编译/汽车之家 李娜)

文章来自 汽车之家
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