Belajar dari trenggiling dan burung merak: Para peneliti mengeksplorasi bahan struktural generasi berikutnya
Dari sisik trenggiling yang tahan terhadap pukulan keras hingga bulu merak yang berwarna-warni namun kokoh, alam dapat melakukan banyak hal dengan beberapa molekul sederhana.
Dalam makalah ulasan baru, tim peneliti internasional telah menjabarkan bagaimana para insinyur mengambil inspirasi dari dunia biologis—dan merancang jenis bahan baru yang berpotensi lebih keras, lebih serbaguna, dan lebih berkelanjutan daripada yang dapat dibuat manusia sendiri.
"Bahkan saat ini, alam membuat segalanya jauh lebih sederhana dan jauh lebih pintar daripada apa yang dapat kita lakukan secara sintetis di laboratorium," kata Dhriti Nepal, penulis pertama dan insinyur bahan penelitian di Laboratorium Penelitian Angkatan Udara di Ohio.
Nepal bersama dengan Vladimir Tsukruk dari Georgia Institute of Technology dan Hendrik Heinz dari University of Colorado Boulder menjabat sebagai penulis yang sesuai untuk analisis baru. Timmenerbitkan temuannya pada 28 Novemberdi jurnalNature Materials.
Para peneliti, yang berasal dari tiga negara, menyelidiki janji dan tantangan di balik "nanokomposit bioinspired." Bahan-bahan ini mencampurkan berbagai jenis protein dan molekul lain pada skala yang sangat kecil untuk mencapai sifat yang mungkin tidak mungkin dilakukan dengan logam atau plastik tradisional. Para peneliti sering merancangnya menggunakan simulasi atau model komputer tingkat lanjut. Contohnya termasuk film tipis yang tahan aus dan robek dengan memasukkan protein dari kepompong ulat sutera; jenis laminasi baru yang terbuat dari polimer dan bahan tanah liat; serat karbon yang diproduksi menggunakan prinsip bioinspired; dan panel kaca yang tidak mudah retak karena termasuk nacre—lapisan warna-warni di dalam banyak cangkang moluska.
Bahan yang terinspirasi dari alam seperti itu, suatu hari nanti, dapat mengarah pada panel surya baru dan lebih baik, robot lunak, dan bahkan pelapis untuk jet hipersonik, kata Heinz, profesor teknik kimia dan biologi di CU Boulder. Tetapi pertama-tama, para peneliti perlu belajar bagaimana membangunnya dari bawah ke atas, memastikan bahwa setiap molekul berada di tempat yang tepat.
"Salah satu tantangan utama di bidang ini adalah bagaimana kita menyusun bahan-bahan ini hingga ke tingkat atom," kata Heinz. "Kita perlu tahu bagaimana alam melakukannya sehingga kita dapat mencobanya di laboratorium dan menggunakan panduan dari model komputasi."
Keratin yang luar biasa
Dalam studi baru, Nepal, Tsukruk, Heinz dan rekan-rekan mereka melihat dari dekat keratin, salah satu blok bangunan alam yang paling mudah beradaptasi.
Protein sederhana ini, yang sering terbentuk menjadi bentuk heliks yang berputar seperti DNA, dapat bergabung bersama dengan cara yang berbeda untuk membuat berbagai macam struktur — dari kuku dan rambut manusia hingga pena bulu landak, tanduk badak, dan sisik trenggiling yang tumpang tindih.
"Keratin ada di mana-mana, dan kami bahkan hampir tidak mulai menghargai kegunaannya," kata Nepal.
Itulah salah satu rahasia alam, tambahnya: Bahan biologis dapat menunjukkan beragam arsitektur kompleks di banyak tingkatan—apa yang oleh para insinyur disebut rekayasa "hierarkis". Beberapa dari struktur tersebut cukup besar untuk dilihat dengan mata telanjang, sementara yang lain sangat kecil sehingga peneliti membutuhkan mikroskop yang kuat untuk mempelajarinya.
Keratin dalam sisik trenggiling, misalnya, mengambil pola bergelombang yang membuat sisik sulit retak. Bulu peafowl, sementara itu, terdiri dari batang melanin yang tertanam dalam matriks keratin, yang memungkinkan perhiasan ini berwarna-warni dan kaku pada saat yang sama — cocok untuk burung merak yang ingin menyebarkan bulu ekornya.
"Salah satu hal terbesar yang dapat kita pelajari dari alam adalah bagaimana bahan-bahan ini menunjukkan berbagai fungsi yang bekerja sama dalam sinergi yang sempurna," kata Nepal.
Dari atom ke atas
Membuat bahan sintetis canggih dengan banyak fungsi di laboratorium, bagaimanapun, bisa menjadi rumit.
"Sebagian besar bahan buatan manusia saat ini adalah bahan komponen tunggal yang sederhana dengan morfologi dan komposisi seragam yang sederhana," kata Tsukruk. "Dan apa yang kami pelajari dari alam adalah bahwa organisasi yang jauh lebih kompleks dan berkelanjutan diperlukan untuk membuat materi bio-inspirasi baru untuk aplikasi lanjutan dalam waktu dekat."
Salah satu tantangan terbesar, kata Heinz, bermuara pada model. Kelompok penelitiannya menggunakan alat-alat ini untuk mensimulasikan jenis bahan baru pada skala beberapa ratus hingga jutaan atom. Tetapi mengambil desain kecil semacam itu dan menskalakannya hingga ukuran sesuatu yang benar-benar dapat Anda lihat menjadi tugas yang semakin sulit.
"Dari skala atom hingga skala milimeter atau bahkan sentimeter, ada begitu banyak tingkat organisasi dalam bahan alami," kata Heinz.
Heinz mencatat bahwa NASA baru-baru ini berinvestasi dalam mengeksplorasi bahan yang direkayasa secara hierarkis untuk aplikasi kedirgantaraan—seperti panel karbon berstruktur nano yang lebih kuat dan lebih ringan untuk digunakan dalam pesawat ruang angkasa guna membawa pasokan kehidupan ke Mars. Heinz, misalnya, adalah bagian dari upaya senilai $15 juta yang didanai oleh NASA untuk mempelajari "komposit ultrastrong" semacam ini.
Para insinyur, tambahnya, juga menemukan cara baru untuk membuat nanokomposit dalam jumlah besar dalam pengaturan manufaktur. Saat ini, para peneliti sering menggunakan alat seperti printer 3D untuk membuat bahan-bahan ini, meletakkannya setetes demi setetes.
Heinz, Tsukruk, Nepal, dan rekan-rekan mereka optimis. Alam, mereka melaporkan, telah memiliki jutaan tahun untuk belajar bagaimana membangun bahan seperti sisik trenggiling atau nacre tiram seefisien mungkin. Insinyur mungkin dapat mengambil petunjuk dari trenggiling dan tiram untuk membangun bahan tanpa menciptakan banyak limbah berbahaya dalam prosesnya.
"Jika kita belajar dari alam, kita dapat menemukan alternatif untuk banyak proses manufaktur intensif energi saat ini atau bahan kimia berbahaya," kata Heinz.
Krishan Kanhaiya, lulusan PhD baru-baru ini di bidang teknik kimia dan biologi di CU Boulder, juga menjabat sebagai rekan penulis pada studi baru ini. Rekan penulis lainnya termasuk peneliti dari Georgia Institute of Technology; Universitas Carnegie Mellon; Universitas Duke; MIT; Universitas College London; Universitas Johns Hopkins; Universitas Deakin; Universitas Tufts; Universitas Michigan; Universitas Cambridge; Universitas Oxford; Universitas California San Diego; dan Universitas Rice.
Dari sisik trenggiling yang tahan terhadap pukulan keras hingga bulu merak yang berwarna-warni namun kokoh, alam dapat melakukan banyak hal dengan beberapa molekul sederhana.
Dalam makalah ulasan baru, tim peneliti internasional telah menjabarkan bagaimana para insinyur mengambil inspirasi dari dunia biologis—dan merancang jenis bahan baru yang berpotensi lebih keras, lebih serbaguna, dan lebih berkelanjutan daripada yang dapat dibuat manusia sendiri.
"Bahkan saat ini, alam membuat segalanya jauh lebih sederhana dan jauh lebih pintar daripada apa yang dapat kita lakukan secara sintetis di laboratorium," kata Dhriti Nepal, penulis pertama dan insinyur bahan penelitian di Laboratorium Penelitian Angkatan Udara di Ohio.
Nepal bersama dengan Vladimir Tsukruk dari Georgia Institute of Technology dan Hendrik Heinz dari University of Colorado Boulder menjabat sebagai penulis yang sesuai untuk analisis baru. Timmenerbitkan temuannya pada 28 Novemberdi jurnalNature Materials.
Para peneliti, yang berasal dari tiga negara, menyelidiki janji dan tantangan di balik "nanokomposit bioinspired." Bahan-bahan ini mencampurkan berbagai jenis protein dan molekul lain pada skala yang sangat kecil untuk mencapai sifat yang mungkin tidak mungkin dilakukan dengan logam atau plastik tradisional. Para peneliti sering merancangnya menggunakan simulasi atau model komputer tingkat lanjut. Contohnya termasuk film tipis yang tahan aus dan robek dengan memasukkan protein dari kepompong ulat sutera; jenis laminasi baru yang terbuat dari polimer dan bahan tanah liat; serat karbon yang diproduksi menggunakan prinsip bioinspired; dan panel kaca yang tidak mudah retak karena termasuk nacre—lapisan warna-warni di dalam banyak cangkang moluska.
Bahan yang terinspirasi dari alam seperti itu, suatu hari nanti, dapat mengarah pada panel surya baru dan lebih baik, robot lunak, dan bahkan pelapis untuk jet hipersonik, kata Heinz, profesor teknik kimia dan biologi di CU Boulder. Tetapi pertama-tama, para peneliti perlu belajar bagaimana membangunnya dari bawah ke atas, memastikan bahwa setiap molekul berada di tempat yang tepat.
"Salah satu tantangan utama di bidang ini adalah bagaimana kita menyusun bahan-bahan ini hingga ke tingkat atom," kata Heinz. "Kita perlu tahu bagaimana alam melakukannya sehingga kita dapat mencobanya di laboratorium dan menggunakan panduan dari model komputasi."
Keratin yang luar biasa
Dalam studi baru, Nepal, Tsukruk, Heinz dan rekan-rekan mereka melihat dari dekat keratin, salah satu blok bangunan alam yang paling mudah beradaptasi.
Protein sederhana ini, yang sering terbentuk menjadi bentuk heliks yang berputar seperti DNA, dapat bergabung bersama dengan cara yang berbeda untuk membuat berbagai macam struktur — dari kuku dan rambut manusia hingga pena bulu landak, tanduk badak, dan sisik trenggiling yang tumpang tindih.
"Keratin ada di mana-mana, dan kami bahkan hampir tidak mulai menghargai kegunaannya," kata Nepal.
Itulah salah satu rahasia alam, tambahnya: Bahan biologis dapat menunjukkan beragam arsitektur kompleks di banyak tingkatan—apa yang oleh para insinyur disebut rekayasa "hierarkis". Beberapa dari struktur tersebut cukup besar untuk dilihat dengan mata telanjang, sementara yang lain sangat kecil sehingga peneliti membutuhkan mikroskop yang kuat untuk mempelajarinya.
Keratin dalam sisik trenggiling, misalnya, mengambil pola bergelombang yang membuat sisik sulit retak. Bulu peafowl, sementara itu, terdiri dari batang melanin yang tertanam dalam matriks keratin, yang memungkinkan perhiasan ini berwarna-warni dan kaku pada saat yang sama — cocok untuk burung merak yang ingin menyebarkan bulu ekornya.
"Salah satu hal terbesar yang dapat kita pelajari dari alam adalah bagaimana bahan-bahan ini menunjukkan berbagai fungsi yang bekerja sama dalam sinergi yang sempurna," kata Nepal.
Dari atom ke atas
Membuat bahan sintetis canggih dengan banyak fungsi di laboratorium, bagaimanapun, bisa menjadi rumit.
"Sebagian besar bahan buatan manusia saat ini adalah bahan komponen tunggal yang sederhana dengan morfologi dan komposisi seragam yang sederhana," kata Tsukruk. "Dan apa yang kami pelajari dari alam adalah bahwa organisasi yang jauh lebih kompleks dan berkelanjutan diperlukan untuk membuat materi bio-inspirasi baru untuk aplikasi lanjutan dalam waktu dekat."
Salah satu tantangan terbesar, kata Heinz, bermuara pada model. Kelompok penelitiannya menggunakan alat-alat ini untuk mensimulasikan jenis bahan baru pada skala beberapa ratus hingga jutaan atom. Tetapi mengambil desain kecil semacam itu dan menskalakannya hingga ukuran sesuatu yang benar-benar dapat Anda lihat menjadi tugas yang semakin sulit.
"Dari skala atom hingga skala milimeter atau bahkan sentimeter, ada begitu banyak tingkat organisasi dalam bahan alami," kata Heinz.
Heinz mencatat bahwa NASA baru-baru ini berinvestasi dalam mengeksplorasi bahan yang direkayasa secara hierarkis untuk aplikasi kedirgantaraan—seperti panel karbon berstruktur nano yang lebih kuat dan lebih ringan untuk digunakan dalam pesawat ruang angkasa guna membawa pasokan kehidupan ke Mars. Heinz, misalnya, adalah bagian dari upaya senilai $15 juta yang didanai oleh NASA untuk mempelajari "komposit ultrastrong" semacam ini.
Para insinyur, tambahnya, juga menemukan cara baru untuk membuat nanokomposit dalam jumlah besar dalam pengaturan manufaktur. Saat ini, para peneliti sering menggunakan alat seperti printer 3D untuk membuat bahan-bahan ini, meletakkannya setetes demi setetes.
Heinz, Tsukruk, Nepal, dan rekan-rekan mereka optimis. Alam, mereka melaporkan, telah memiliki jutaan tahun untuk belajar bagaimana membangun bahan seperti sisik trenggiling atau nacre tiram seefisien mungkin. Insinyur mungkin dapat mengambil petunjuk dari trenggiling dan tiram untuk membangun bahan tanpa menciptakan banyak limbah berbahaya dalam prosesnya.
"Jika kita belajar dari alam, kita dapat menemukan alternatif untuk banyak proses manufaktur intensif energi saat ini atau bahan kimia berbahaya," kata Heinz.
Krishan Kanhaiya, lulusan PhD baru-baru ini di bidang teknik kimia dan biologi di CU Boulder, juga menjabat sebagai rekan penulis pada studi baru ini. Rekan penulis lainnya termasuk peneliti dari Georgia Institute of Technology; Universitas Carnegie Mellon; Universitas Duke; MIT; Universitas College London; Universitas Johns Hopkins; Universitas Deakin; Universitas Tufts; Universitas Michigan; Universitas Cambridge; Universitas Oxford; Universitas California San Diego; dan Universitas Rice.
."¥¥¥".
."$$$".
No comments:
Post a Comment
Informations From: Article copyright