W obecnych czasach można uznać, że to rozwój technologiczny jest miarą dalszej ewolucji ludzi. Jest to nie tylko sposób na dostosowanie się do zmieniających się warunków, ale również na maksymalne ulepszenie i udoskonalenie posiadanych przez nas narzędzi, aby stale zwiększać komfort naszego życia. Nie można zapominać również o tworzeniu zupełnie nowych rozwiązań, dotychczas niedostępnych ludzkości. Na szczęście na świecie jest wielu niezwykle inteligentnych i ambitnych naukowców, którzy swoje zdolności przekuwają właśnie w tego typu narzędzia.
Czasem można się zastanawiać, skąd poszczególni specjaliści czerpią swoje inspiracje do rozwoju technologii i, co ciekawe, wielu z nich swój wzrok kieruje ku przyrodzie. Co innego bowiem może być lepszym wyznacznikiem maksymalizowania atrybutów niż miliony lat ewolucji zwierząt i roślin. W porównaniu do nich człowiek stąpa po Ziemi od bardzo niedawna. Naturalnym jest też to, że możliwości samych badaczy są uzależnione od stopnia rozwoju nauk i w ten niezwykły sposób wszystko zatacza koło. Naukowcy opracowują nowe rozwiązania, które z kolei pozwalają im na tworzenie kolejnych – i tak się to już od wielu lat odbywa.
W trakcie rozwoju nauki i technologii powstało nie tylko wiele nowych rozwiązań technologicznych, ale i całych dziedzin, a każda z nich ma coś ciekawego do zaoferowania. Jednym z takich nowych obszarów jest choćby mechanochemia, która dzięki stale rozszerzanym możliwościom staje się coraz bardziej popularnym kierunkiem dla realizacji ambicji badaczy. Również tych, którzy chcą przenieść w świat technologii zjawiska zachodzące w przyrodzie. I nie jest to jedyna nauka tego typu.
Mechanochemia i po co naśladować przyrodę
Mechanochemia to dziedzina nauki zajmująca się badaniem chemicznych i fizykochemicznych przemian substancji, wywoływanych działaniem energii mechanicznych [1]. Celem naukowców zajmujących się tymi zagadnieniami jest zgłębienie i wykorzystanie tych procesów w celu zmiany właściwości poszczególnych materiałów. Natura natomiast jest pełna przykładów takich przemian, optymalizujących możliwości dostosowania m.in. roślin do otaczających je warunków.
Weźmy choćby drzewa, które są jednocześnie twarde oraz wytrzymałe, jak również na tyle elastyczne, aby uginać się na wietrze, unikając połamania w wyniku jego oddziaływania. Nic więc dziwnego, że specjaliści od mechanochemii, chcąc dokonywać w sposób kontrolowany i ukierunkowany podobnych przemian, patrzą właśnie w kierunku przyrody.
Osiągnąć takie efekty można m.in. poprzez zerwanie wiązań chemicznych w danym materiale, aby zmienić jego zachowanie. Tak powstają syntetyczne polimery o tzw. docelowej funkcjonalności, czyli o celowo nadanych właściwościach. Jedną ze specjalistek w tej dziedzinie jest Meredith N. Silberstein z działu inżynierii mechanicznej i lotniczej Uniwersytetu Cornell, która powiedziała: „myślę o tym jako o mechanice napędzającej chemię. Podstawową ideą naukową jest to, że możemy celowo zerwać wiązania chemiczne, aby zmienić zachowanie materiału. Wiele koncepcji mechanochemicznych jest inspirowanych biologią, ponieważ staramy się tworzyć materiały, które dają więcej, dodając wielofunkcyjność poprzez wbudowanie ich w chemię polimerów” [2].
Choć brzmi to, i w istocie jest, skomplikowane z punktu widzenia samych badań, to idea za tym stojąca jest dość prosta. Mianowicie, wzorując się na naturze, naukowcy zmieniają właściwości materiałów, aby dostosować je do określonych potrzeb. Tylko tyle albo aż tyle. Do czego jednak w praktyce może zostać wykorzystana tego typu technologia i rozwiązania opracowane w jej ramach?
Nowoczesność materiałów
Zanim jednak przejdziemy do mnogości zastosowań mechanochemii wzorowanej na przyrodzie, warto zaznaczyć, iż nie jest to jedyna tego typu nauka. Zmianą właściwości materiałów zajmują się także tak popularne i prężnie rozwijające się współcześnie dziedziny jak m.in. nanotechnologia. Jest to nauka zajmująca się tworzeniem struktur o rozmiarach nanometrycznych, czyli o wielkości cząsteczek i atomów. Pozwala to na oddziaływanie na dany materiał na poziomie kwantowym, zmieniając w ten sposób jego zachowanie [3].
Kolejną dziedziną, obejmującą modelowanie funkcjonalności materiałów, jest tekstronika. To dziedzina skoncentrowana na tworzeniu inteligentnych materiałów. Jej możliwości są na tyle szerokie, że mogą zrewolucjonizować wiele dziedzin naukowych i branż przemysłowych. Jak to jednak w nauce bywa, poszczególne dziedziny przenikają się i tym sposobem powstawanie określonych materiałów w ramach tekstroniki jest możliwe między innymi za sprawą nanotechnologii, a także omawianej tu mechanochemii [4]. Skoro już płynnie wróciliśmy do meritum, to sprawdźmy co do zaoferowania ma ta wyjątkowa nauka i inne podobne jej dziedziny.
Przyroda i technologia = rozwiązania jak z filmów
Zacznijmy od jednego z najbardziej uniwersalnych rozwiązań, o najszerszym zastosowaniu i rewolucyjnych wręcz perspektywach. Chodzi o samoreformowalne materiały. Tym zagadnieniem zajmuje się m.in. wspomniana już Meredith N. Silberstein z uczelni Cornell. Wraz ze współpracownikami chce ona stworzyć rozwiązania, dzięki którym materiały będą nie tylko wytrzymalsze, ale będą mogły same się odbudowywać. „Możesz ciągnąć, łamać i ponownie łączyć (dany materiał, przyp. red.). Istnieje wiele rodzajów chemii, za pomocą których można to osiągnąć, ale nasz system jest wyjątkowy (…) Możemy modulować środowisko materiałów, a to wpłynie na to, jak łatwo się łamią i jak łatwo się odradzają, co ma kluczowe znaczenie, jeśli chcesz mieć pełną kontrolę nad właściwościami mechanicznymi swojego materiału”. Efekt ten badaczka zamierza osiągnąć np. poprzez wbudowanie w chemię samego tworzywa specjalnych polimerów. W wyniku zachodzących w nich naładowanych interakcji (np. wygięcia) materiał ulegnie rozproszeniu, a następnie ponownie się połączy zamiast ulec zniszczeniu.
Inną metodą, wykorzystywaną przez Meredith N. Silberstein do uzyskania tego samego celu, jest zastosowanie zmian natężenia pola elektrycznego do modulowania właściwości mechanicznych materiału. „To również koncepcja bardzo inspirowana biologią. W biologii, w komórkach ludzkich, leczenie i modulacja właściwości opierają się na małych polach elektrycznych. Na przykład neurony wysyłają ładunek jonowy” [5]. To więc kolejny przykład wpływu przyrody na współczesną naukę i technologię.
Jak już wspomniano, mechanochemia nie jest jedynym rozwiązaniem wzorowanym na przyrodzie. Co więcej, niektóre z nich nie wymagają tak skomplikowanych zabiegów jak laboratoryjny wpływ na struktury chemiczne materiałów. Można bowiem zastosować znacznie prostsze, a przy tym nie mniej wartościowe i przydatne zabiegi. Przykładem mogą być badania Matthew C. Reida, zajmującego się Inżynierią Lądową i Środowiskową. Postanowił on przyjrzeć się problemowi zanieczyszczenia wody w wyniku spływu nawozów z pól uprawnych. Choć może być to zaskakujące, to problem ten jest bardzo poważny i powszechny na całym świecie.
Walka z zanieczyszczeniem środowiska inspirowana nim samym
Nawozy stosowane w uprawach zawierają duże ilości azotanów, który w kontakcie z wodą niepotrzebnie stymuluje rozrost roślinności i w rezultacie powoduje nadmierne zakwity glonów. To z kolei obniża poziom natlenienia wody, w wyniku czego doprowadza do niedotlenienia i w efekcie – śmierci zwierząt wodnych. Oczywiście można temu zaradzić poprzez oczyszczalnie ścieków, jednak niemożliwe jest wybudowanie tego typu konstrukcji osobno dla każdej farmy.
Co więcej, rozwiązania takie są kosztowne nie tylko w przypadku samej ich budowy, ale również utrzymania, zużywając do pracy znaczne ilości energii. Dlatego też naukowiec postanowił zainspirować się przyrodą, a konkretnie tym, jaką rolę w oczyszczaniu środowiska spełniają tereny podmokłe. Nie każdy bowiem wie, iż stanowią one naturalny sposób na pochłanianie zanieczyszczeń.
Przyglądając się bliżej funkcjonowaniu środowiska w tym zakresie, Matthew C. Reid wpadł na pomysł zastosowania bioreaktorów zrębkowych. Choć brzmi to skomplikowanie, to w istocie wcale takie nie jest. Otóż bioreaktor zrębkowy to nic innego jak wykop w ziemi wypełniony wiórami drzewnymi. W tych zrębkach z kolei żyją bakterie żywiące się węglem zawartym w drewnie. Jaki ma to związek zanieczyszczeniem azotanami?
Tak, jak ludzie oddychają tlenem, wydalając dwutlenek węgla, tak bakterie ze zrębków oddychają azotanami, wydalając jako produkt końcowy azot. Ostatecznie więc woda z pól uprawnych wymieszana z nawozem z azotanami spływa do takiego ekologicznego rowu, a bakterie żyjące w wiórach przefiltrowują ją. Metoda ta nie jest doskonała, jednak naukowcy wpadli już na pomysł, jak usprawnić ją za pomocą grzybów. Muszą jednak odkryć najpierw sposób na dodatkowe natlenienie zalanych wodą bioreaktorów [6]. Nie zmienia to faktu, iż całe przedsięwzięcie jest całkowicie zainspirowane przyrodą i ostatecznie właśnie środowisku naturalnemu może pomóc.
Co mają wspólnego glony i transport leków w organizmie?
Woda to coś, bez czego życie na naszej planecie nie mogłoby istnieć. Składa się z niej zarówno większa część powierzchni naszej planety, jak i organizmu ludzkiego. Nic więc dziwnego, że jako coś absolutnie „naturalnego” woda stanowi niewyczerpane źródło inspiracji dla badaczy z wielu dziedzin. Jednym z nich jest Shaoyi Jiang, zajmujący się inżynierią biomedyczną, który poświęcił około 20 lat swojej działalności na badanie biokompatybilności oraz działania glikolu polietylenowego (PEG).
Należy bowiem wiedzieć, że różnorodne specyfiki farmakologiczne, np. szczepionki, są pokrywane właśnie PEG, który chroni je przed zniszczeniem w ludzkim organizmie przez nasz układ odpornościowy. Problem w tym, iż układ immunologiczny może reagować na sam PEG jako zagrożenie, a tym samym starać się go zwalczyć i w ten sposób pojawia się niekiedy reakcja w postaci uczulenia. Tym samym przechodzimy do kwestii biokompatybilności.
Biokompatybilność, inaczej biozgodność, to cecha substancji lub określonego materiału, która warunkuje to, jak działa ona w ludzkim organizmie [7]. O ile glikol polietylenowy posiada dość wysoką biokompatybilność, i to właśnie czyni go tak skutecznym, to bywa on jednak zawodny. Dlatego też naukowcy, z Shaoyi Jiangiem na czele, od lat próbują opracować materiał o wyższej „przyswajalności”. Udało się to właśnie dzięki wzorowaniu się na wodzie, czyli jednej z najbardziej naturalnych, a tym samym biozgodnych z organizmem substancji na Ziemi. Rozwiązaniem tym jest nowa klasa materiałów – nazwana zwitterionic materials.
Są to wyjątkowo hydrofilowe substancje (wykazują wysoką zdolność do łączenia się z wodą) o obojętnym ładunku netto (posiadają jeden jon dodatni i jeden ujemny, które się równoważą). To sprawia, iż z perspektywy organizmu materiał ten wygląda jak woda, więc układ odpornościowy nie otrzymuje sygnału o zagrożeniu. Tym samym organizm nie próbuje zwalczyć danego materiału oraz zabezpieczanej przez niego zawartości. Funkcjonalność medyczna tych substancji dotyczy także implantów, ponieważ znacznie zmniejsza ryzyko odrzucenia ich przez organizm, co stanowi duży i powszechny problem w transplantologii.
Natura to inspiracja dla nauki i technologii
Co ciekawe, okazało się, iż odkrycie to może mieć znacznie szersze zastosowanie niż tylko w farmakologii. Przykładowo pokrycie tego typu materiałami kadłubów statków morskich lub infrastruktury podwodnej może przynieść spore korzyści. Zapobiega to bowiem gromadzeniu się na tych powierzchniach organizmów porostowych. Co istotne, podobne substancje opracowywano już wcześniej, jednak oddziaływały one jedynie na konkretne gatunki, np. glony czy okrzemki. Materiały obojnaczojonowe Shaoyi Jianga działają natomiast na wszystkie tego typu organizmy i to bez użycia toksycznych materiałów (co ma miejsce w większości innych substancji). Nowy wynalazek sprawia po prostu, imitując wodę, że powierzchnie nim pokryte stają się niewidoczne dla organizmów porostowych [8].
Środowisko naturalne oraz jego poszczególne elementy to bogate źródło inspiracji dla badaczy wszelkich dziedzin. Ciężko bowiem o inne rozwiązania, które tak długo były udoskonalane i przystosowywane. Po co więc czasami „na siłę” testować niektóre pomysły, jeśli takowe sprawdziła już sama natura i wypracowała w tym niezwykle długim procesie najlepsze rozwiązania? Wyraźnie widać, że czerpanie z tych bogatych doświadczeń pomogło badaczom opracować wiele niezwykle przydatnych rozwiązań. A całe mnóstwo jeszcze przed nami. Warto więc, nie tylko zajmując się nauką i technologią, zatrzymać się czasami w codziennym pędzie, aby zwrócić uwagę na otaczającą nas przyrodę i przypomnieć sobie, jak ważna ona jest.