De voordelen van natuurlijke materialen; Gemaakt van paarlemoer en mosselbaard

Het nabootsen van natuurlijke materialen heet biomimetica. Biomimetici kijken niet naar de natuur omdat de bestaande materialen inferieur zijn. Veel kunstvezels zijn zelfs sterker dan natuurlijke vezels. Maar het kost veel energie om ze te produceren en de synthese ervan is vaak bijzonder ingewikkeld. Natuurlijke materialen als collageen, cellulose, keratine en chitine worden daarentegen gevormd bij normale temperaturen en onder atmosferische druk.

Sommige natuurlijke materialen zijn zelfs beter dan hun synthetische imitaties. Paarlemoer is honderd maal sterker dan technische keramiek. 'In de natuur wordt vaak voor een compromis gekozen,' zegt Julian Vincent van het Centre for Biomimetics van de Universiteit van Reading. 'De beenderen van de poten van koe zijn stevig omdat ze rijk zijn aan calciumfosfaat, maar sterk zijn ze niet. In de technologie worden ook afwegingen gemaakt. Een kogelvrij vest moet sterk genoeg zijn om een kogel tegen te houden, maar het mag niet te zwaar worden. Bruggen moeten zowel licht als sterk zijn.'

Omdat de industrie zit te springen om sterke elastische materialen, heeft men aan de Universiteit van Reading de holle stekels van het stekelvarken bestudeerd. Die worden niet alleen voor de verdediging gebruikt; ze fungeren tevens als schokbreker tijdens een val. Vincent: 'De stekels zijn superelastisch. Ze veren onmiddellijk terug als ze gebogen worden.'

Tot op heden is men er nog niet in geslaagd om de eigenschappen van het materiaal waarvan de stekels zijn gemaakt - keratine of hoornstof - na te bootsen. Maar dat is al wel gelukt met elastine, een elastisch vezeleiwit dat er bij de rugspieren van herkauwers voor zorgt dat de kop zonder veel inspanning kan worden opgericht. Biofysicus Dan W. Urry van de Universiteit van Alabama heeft elastine gemaakt met behulp van een polymeer dat uit een herhaling van vijf aminozuren bestaat. Uit de moleculaire structuur van elastine was moeilijk af te leiden waaraan het materiaal zijn elastische eigenschappen te danken heeft. Urry besloot daarom vezels met een holle structuur te maken, die in oplossing onder verschillende temperaturen kunnen expanderen en samentrekken. Het zal voor de bekleding van pacemakers worden gebruikt. Van synthetisch elastine is al een beschermlaagje voor kunstharten vervaardigd.

Sluitspiereiwitten

Eigenlijk komen alle natuurlijke materialen voor imitatie in aanmerking: van de hoeven van het paard tot de sluitspiereiwitten die de kleppen van mosselen bij elkaar houden. De Amerikaanse metallurge Ann Van Order bestudeert de hoornstof van de neushoorn, een natuurlijke composiet met een vezelstructuur die ook is toegepast in de vleugels van het Stealth-vliegtuig. David Kaplan van het US Army Natick Research Center in Massachusetts bestudeert een eiwit dat in de huid van kakkerlakken voorkomt: resiline. Dit rubberachtige materiaal zet niet uit als het met oplosmiddelen in aanraking komt, een nadeel dat synthetisch rubber wel heeft.

Biomimetica beperkt zich niet alleen tot het namaken van natuurlijke materialen. Soms probeert men de eigenschappen van het natuurlijke materiaal te verbeteren. Al jaren wordt zijde van het spinsel van coconrupsen gemaakt. Zijde is elastisch en driemaal zo sterk als nylon. Wanneer zijdevezels worden uitgerekt, kunnen ze grote hoeveelheden mechanische energie in warmte omzetten.

Spinzijde zou verwerkt kunnen worden in composietmaterialen voor kogelvrije vesten, skipakken of kabels voor hangbruggen. Veel concreets heeft het onderzoek nog niet opgeleverd. Protein Polymer Technologies uit San Diego heeft met behulp van de bacterie E. coli een materiaal ontwikkeld, waarin eigenschappen van zijde zijn gecombineerd met die van het menselijk eiwit fibronectine. Ook is een soort polyester gemaakt dat zijde-achtig aanvoelt.

Het bedrijf Enzon heeft met behulp van gistcellen en het enzym tyrosinase een biolijm ontwikkeld gebaseerd op de baard waarmee de mossel Mytilus edulis zich op rotsen en stenen vastzet. Deze superlijm zou onder meer als kleefstof voor kunstgebitten dienst kunnen doen.

Bacillus subtilis

Veelbelovend zijn ook de experimenten van Neil Mendelson van de Universiteit van Arizona in Tucson, die met behulp van Bacillus subtilis microvezeltjes kweekt. Door die vezeltjes in calcium- en ijzerzouten te dompelen, ontstaat een soort glasvezel, 'bioniet' genaamd.

Aan de Universiteit van Washington in Seattle heeft Christopher Viney de moleculaire structuur van de slijm van slakken bestudeerd. Deze deels vloeibaar kristallijne stof zou als basis kunnen dienen van smeermiddelen die op water en niet op olie zijn gebaseerd. 'Minerale olie verhoudt zich slecht tot organische oppervlakten,' weet Viney. 'slijm biedt bescherming tegen welke ondergrond ook. Slakken kunnen zelfs zonder problemen over scheermesjes kruipen. Wanneer de stroperige stof met water in aanraking komt, neemt het wel vijftig maal in volume toe.'

Als belangrijke trend ziet Julian Vincent van de Universiteit van Reading intelligente materialen: materialen die reageren op veranderingen in hun directe omgeving. Collageen en beencellen zijn piëzo-elektrisch: ze verkrijgen elektrische ladingen als er druk- of trekkrachten op worden uitgeoefend. In Reading kijkt men ook naar de manier waarop voelsensoren in de huid van insekten zijn verwerkt.

Vincent: 'Om de materiaaleigenschappen van vliegtuigvleugels te controleren, gebruikt men tegenwoordig vaak superdunne glasvezels. Door licht door de vezels te sturen, kan worden nagegaan of het materiaal nog de gewenste sterkte heeft. Op plekken waar scheuren ontstaan, zal de lichtintensiteit variëren. Sensoren kunnen die informatie verzamelen. Het probleem is dat dit vreselijk veel geld kost. Daarom kijken we naar de natuur.'

Ondanks al deze inspanningen heeft de biomimetica geen hoge vlucht genomen. Het bedrijfsleven staat niet te popelen om geld in biomimetica te steken. 'De scepsis is groot,' geeft Vincent toe. 'Chemici denken dat natuurlijke materialen zwak zijn. Niets is minder waar.'

De holle pennen van het stekelvarken zijn niet alleen scherp, maar ook bijzonder elastisch. Als het dier zich tot een bal oprolt en een roofdier hem voortduwt, kunnen de pennen een onverhoopte val goed opvangen. Het geheim van de elasticiteit is nog niet opgelost.

    • Jan Libbenga