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南加州大学利用细菌制造汽车材料 更加坚固有弹性

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58京牌 ,南加州大学维特比工程学院(USC Viterbi School Of Engineering)的研究人员利用活细菌制造坚固、耐受和有弹性的工程材料。

(图片来源:viterbischool)

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:“细菌知道如何省时又省力地做事。我们可以利用它们的智能来设计混合材料,使其性能超过全合成材料。”

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(Bouligand)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。

测试显示,这种结构的强度非常高,可应用于航空航天面板和车架等基础设施。另外,这种活性材料相对较轻,也为防弹衣或车辆装甲等防御应用提供了选择。

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桥梁,可以在必要时修复受损材料。”

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