Som världen kämpar med klimatförändringar, måste vi snabbt hitta sätt att minska våra CO₂-utsläpp. Sektorer som är mycket beroende av fossila bränslen, till exempel energi och luftfarten, anses ofta vara de värsta gärningsmännen. Men vad de flesta inte inser är att det finns en annan syndare som gömmer sig i synen; på gatorna i våra städer och i byggnaderna där vi bor och arbetar.

I 2007 ensam, stål och betong var vardera ansvariga för fler CO₂-utsläpp än hela den globala flygindustrin. Innan man når byggplatsen måste både stål och cement bearbetas vid mycket höga temperaturer - och det kräver mycket energi. Så hur kan vi minska vårt beroende av dessa "smutsiga" material, när de spelar en så avgörande roll i konstruktionen?

Ett alternativ är att använda naturliga material, till exempel trä. Människor har byggt med trä för tusentals åroch träkonstruktioner är för närvarande upplever en mindre återuppblickning - delvis för att det är ett billigt och hållbart material.

Men det finns några nackdelar med att bygga med trä; materialet kan varpa i fuktiga förhållanden och är mottagligt för angrepp av skadedjur som termiter. Och även om naturliga material, till exempel trä, tilltalar ur ett miljöperspektiv, kan de vara otillfredsställande för ingenjörer som kanske vill skapa komponenter i en specifik form eller storlek.

Kopiera livet

Så vad händer om vi istället för att använda naturliga material som vi hittar dem skapar nya material som är inspirerade av naturen? Denna idé började få dragkraft i forskarsamhället i 1970 och exploderade verkligen i 1990, med utvecklingen av nanoteknologi och nanofabriceringsmetoder. Idag utgör det grunden för ett nytt vetenskapligt forskningsområde: nämligen ”biomimetik” - bokstavligen ”kopiering av liv”.

Biologiska celler benämns ofta "livets byggstenar”Eftersom de är de minsta enheterna av levande materia. Men för att skapa en multicellulär organism som du eller jag måste celler klumpas samman med en stödstruktur för att bilda de biologiska material vi är gjorda av, vävnader som ben, brosk och muskler. Det är material som dessa, som forskare som är intresserade av biomimetik har vänt sig till för att få inspiration.

För att skapa biomimetiska material måste vi ha en djup förståelse för hur naturliga material fungerar. Vi vet att naturliga material också är "kompositer": de är tillverkade av flera olika basmaterial, var och en med olika egenskaper. Kompositmaterial är ofta lättare än enkelkomponentmaterial, såsom metaller, medan de fortfarande har önskvärda egenskaper såsom styvhet, hållfasthet och seghet.

Tillverkning av biomimetiska material

Materialingenjörer har spenderat decennier med att mäta sammansättning, struktur och egenskaper hos naturliga material som ben och äggskal, så vi har nu en god förståelse för deras egenskaper.

Vi vet till exempel att ben består av hydratiserat protein och mineral, i nästan lika stora proportioner. Mineralet ger styvhet och hårdhet, medan proteinet ger seghet och motstånd mot sprickor. Även om ben kan gå sönder är det relativt sällsynt och de har fördelen att vara det självläkande - En annan funktion som ingenjörer försöker få till biomimetiska material.

Liksom ben är äggskal ett sammansatt material, men det är runt 95% mineral och endast 5% hydratiserat protein. Men till och med den lilla mängden protein räcker för att göra äggskal väldigt tufft, med tanke på dess tunnhet - som de flesta frukostkockar har märkt. Nästa utmaning är att förvandla denna kunskap till något fast.

Det finns två sätt att efterlikna naturliga material. Antingen kan du härma materialets sammansättning, eller så kan du kopiera processen som materialet gjordes på. Eftersom naturliga material tillverkas av levande varelser är det inga höga temperaturer involverade i någon av dessa metoder. Som sådant tar biomimetiska material - låt oss kalla dem "neo-bone" och "neo-äggskal" - mycket mindre energi att producera än stål eller betong.

På laboratoriet har vi lyckats göra prov på centimeter av neo-ben. Vi gör detta genom att förbereda olika proteinlösningar med de komponenter som gör benmineral. Ett sammansatt neo-benmaterial avsätts sedan från dessa lösningar på ett biomimetiskt sätt vid kroppstemperatur. Det finns ingen anledning att denna process - eller en förbättrad, snabbare version av den - inte kunde skalas upp till en industriell nivå.

Naturligtvis finns stål och betong överallt, så hur vi konstruerar och konstruerar byggnader är optimerade för dessa material. För att börja använda biomimetiska material i stor skala, måste vi helt ompröva våra byggkoder och standarder för byggmaterial. Men då, om vi vill bygga framtida städer på ett hållbart sätt, är kanske en stor omprövning exakt vad som behövs. Vetenskapen är fortfarande i sin spädbarn, men det betyder inte att vi inte kan drömma stort om framtiden.