Ajankohtaista

Sienistä uusia materiaaliratkaisuja

VTT:n tutkimus: Sienistä opitut rakenteet voivat auttaa kehittämään suorituskykyisiä ja erittäin kevyitä materiaaleja muovien tilalle.

VTT:n tutkimusryhmä on selvittänyt salaisuuden eräiden sienilajien ainutlaatuisten mekaanisten ominaisuuksien ja erittäin kevyen painon takana. Jäljittelemällä sienten rakenteen monimutkaista arkkitehtuuria voitaisiin luoda uusia materiaaleja, jotka korvaisivat muoveja. Tutkimuksen tulokset esiteltiin 22. helmikuuta 2023 Science Advances -julkaisussa.

VTT:n tutkimus kuvaa ensimmäistä kertaa taulakäävän (Fomes fomentarius) monimutkaiset rakenteelliset, kemialliset ja mekaaniset ominaisuudet, jotka ovat kehittyneet evoluution aikana. Näiden ominaisuuksien yhdistelmä synnyttää täysin uudenlaisia, suorituskyvyltään ainutlaatuisia materiaaleja.

Tutkimustulokset innoittavat kehittämään laboratorio-olosuhteissa alhaalta ylöspäin seuraavan sukupolven vahvoja ja kevyitä, ympäristön kannalta kestäviä materiaaleja erilaisiin sovelluksiin. Mahdollisia sovellusalueita ovat esimerkiksi iskunkestävät implantit, urheiluvälineet, vartalosuojat, lentokoneiden kuorirakenteet, elektroniikka tai tuulilasien pinnoitteet.

Millainen on kääpäsienten erityinen mikrorakenne?

Luonto tarjoaa näkökulmia siihen, millaisia keinoja elävät organismit ovat kehittäneet parantaakseen kestävyyttään. Taulakääpä on erityisen kiinnostava laji uusien materiaalien kehittämisen kannalta. Se on yleinen koivun kääpäsieni, jonka tärkeä tehtävä on vapauttaa hiiltä ja muita ravinteita kuolleesta puusta. Taulakäävän itiöemät ovat nerokkaita kevyitä biologisia rakenteita, joiden koostumus on yksinkertainen, mutta suorituskyky hyvä. Itiöemän rakenteilla on mekaanisia ja toiminnallisia tehtäviä, kuten itiöemän suojaaminen hyönteisiltä tai putoavilta oksilta, lisääntyminen ja suojautuminen eläimiltä tai vuodenaikojen vaihtelulta.

VTT:n uusi tutkimus paljastaa, että taulakäävän itiöemä muodostuu kolmesta toiminnallisesti erillisestä kerroksesta, joiden taustalla vaikuttaa monitasoinen hierarkia.

“Sienirihmasto on jokaisen kerroksen pääkomponentti, mutta sen mikrorakenne on kussakin kerroksessa hyvin erilainen. Rakenne poikkeaa toisistaan eri kerroksissa esimerkiksi orientaation, pituuden ja leveyden, tiheyden tai haarojen pituuden suhteen. Solunulkoinen matriisi toimii vahvistavana liimana, jonka määrä, polymeerisisältö ja yhteenkytkeytyneisyys vaihtelevat eri kerroksissa”, kertoo VTT:n erikoistutkija Pezhman Mohammadi.

Muokattava rakenne mahdollistaa erilaiset ominaisuudet – inspiraation lähde uusille materiaaleille

Taulakäävän rakennetta voidaan muokata ja luoda näin ominaisuuksiltaan erilaisia materiaaleja. Vähäiset solumorfologian ja solunulkoisen polymeerikoostumuksen muutokset synnyttävät erilaisia materiaaleja, joiden fysikokemialliset ominaisuudet päihittävät useimpien luonnossa esiintyvien tai ihmisten kehittämien materiaalien ominaisuudet. Perinteisilllä materiaaleilla yhtä ominaisuutta voidaan yleensä parantaa vain toisen ominaisuuden kustannuksella (esimerkiksi painoa tai tiheyttä lisätään vahvuuden tai kovuuden parantamiseksi). Taulakäävän suorituskyky ei edellytä tällaista vaihtokauppaa.

“Taulakäävän rakenteellinen koostumus ja biokemialliset toimintaperiaatteet avaavat uusia mahdollisuuksia materiaalikehitykseen, esimerkiksi ultrakevyiden teknisten rakenteiden tai mekaanisilta ominaisuuksiltaan parannettujen nanokomposiittien valmistamiseen. Samalla voidaan tutkia uusia valmistusreittejä seuraavan sukupolven ohjelmoitaville, toiminnallisille materiaaleille. Materiaalin tuotanto yksinkertaisista ainesosista voi myös auttaa ylittämään tulevaisuuden materiaalien haasteita, jotka liittyvät kustannuksiin, aikaan, massatuotantoon ja materiaalien valmistus- ja kulutustapoihin”, Pezhman selittää.

 Lähde: VTT