Биомиметика – быстро развивающееся направление науки и технологий, которое в наше время выходит на новый уровень – параллельно тому, как человек выходит на новый уровень понимания естественных процессов, изучая молекулярные механизмы привычных явлений. Об интересных архитектурных и инженерных решениях, которые люди «подсмотрели» у природы, о самых «горячих» темах современной биомиметики, об идеях, пришедших в подготовке лекции для школьников «Сириуса», и о том, что надо изучать желающим заняться природоподобными технологиями, нам рассказал доктор химических наук, заведующий кафедрой физической химии НИТУ МИСиС Михаил Астахов.
Раньше человек имитировал то, что есть в природе, в масштабах макроуровня. Он мог разбираться, как устроены естественные объекты вокруг него, и создавать что-то похожее. В этом смысле «отцом» биомиметики можно назвать Леонардо да Винчи. Он первым создал крылатую машину, похожую на тело птицы. Правда, машина не полетела, так как мускульных сил человека не хватало для того, чтобы привести ее в действие с должной скоростью. Но понимание того, что птицы более адаптированы к машущему полету, само по себе было серьезным шагом, без которого мы не смогли бы подняться в небо.
В Испании в XV-XVI веках изобрели воздушный колокол, чтобы поднимать ценности с затонувших кораблей. Это приспособление было «подсмотрено» у паука-серебрянки. Специальное органическое вещество на лапках этого животного позволяет удерживать пузырьки воздуха, которые паук использует для дыхания под водой. Это были первые применения биомиметики, хотя ни да Винчи, ни создатели воздушного колокола никогда не слышали о такой науке.
В архитектуре и строительстве биомиметика проявляется более наглядно. Уже существуют проекты зданий, где системы вентиляции и обогрева устроены в точности как в термитнике (среди них – трехкилометровая башня Ultima Tower). При такой планировке гораздо легче поддерживать температуру и комфортный микроклимат. В Лондоне есть знаменитое сооружение, которое из-за формы прозвали «Огурец». Его структура повторяет строение морских губок, беспозвоночных-фильтраторов, которые всасывают воду через поры и отцеживают из нее частички пищи. В «Огурце» специальная система воздушных шахт помогает экономить на обогреве. Теплый воздух, нагретый солнцем, распространяется по шахтам зимой, а летом здание охлаждается благодаря пассивной вентиляции.
Но есть и инженерные решения. Роя землю, червь пропускает ее через себя, забирая все питательное, а остальное выбрасывает наружу из кишечника, и таким образом продвигается в освободившееся пространство. Похожим образом работают туннельные роющие машины.
«Все это было очень хорошо видно, потому что это макроуровень – глазами не нужно было лезть вглубь. Имея современную аппаратуру, мы полезли в строение клеток, водорослей, пера. Человечество всегда шло от массивного к нано, и нам удивительно, как такие маленькие объекты могут быть столь сложными. Но природа шла к этому с самого начала, она начинала с уровня молекул, и у нее была уйма времени», – размышляет Михаил Астахов.
И действительно, мы до сих пор не можем быстро синтезировать многие вещества на наноуровне, тогда как в природе биологические объекты создают самоорганизующиеся структуры. ДНК, рибосомам и ферментам не надо говорить, как создать РНК и произвести белок. Внутри клетки молекулы отлично «знают», куда им прийти, как связаться и к чему присоединиться. Мы же находимся только в начале этого пути: пытаемся сделать коллоидные системы, которые способны сжиматься, создать самособирающиеся молекулы. Это очень многообещающий подход: человечество было бы радо собирать наноструктуры по своему желанию. Однако такую высокоуровневую самоорганизацию обеспечить очень сложно. Пока мы можем разве что заставить некоторые бактерии служить нам для сборки разных молекул и делать за нас всю работу. Поэтому сейчас самоорганизация – одна из главных проблем, особенно в области микроэлектроники.
«Я восхищаюсь тем, что делает природа, в природе все гениально. Поэтому биомиметика – это одно из самых интересных направлений. Оно основано на любопытстве, на вопросе, почему это так. Это такая интересная игра ума. Когда готовился к лекции, мне пришло четыре идеи, которые хотелось бы реализовать – когда рассказываешь и объясняешь кому-то, причем не своим коллегам, а школьникам, сам понимаешь материал на новом уровне», – поделился лектор.
Среди этих новых идей – углеродный материал из водорослей для создания суперконденсатора (попытки реализации предпринимались уже на июльской программе) и использование структурного цвета. Структурная окраска – это цвет, который создается не благодаря пигментам, а при помощи слоев особых упорядоченных наноструктур, определенным образом преломляющих свет. Яркий во всех смыслах пример этого явления – коралловый лещ, который может менять окраску, сжимая или расширяя расстояние между такими слоями. Если взять пьезоэлектрики (материалы, которые изменяют свои размеры под действием внешнего электрического поля), то можно сделать похожую слоистую структуру и с помощью электричества управлять ею. Причем расстояние будет сжиматься и расширяться в зависимости от мощности сигнала. Сделав мигание с разной частотой, можно заставить такую окраску постоянно переливаться. Можно будет также подбирать любой цвет по желанию и создавать камуфляжную окраску.
Заинтересовав ребят описанием бурно развивающегося направления, Михаил Астахов ответил и на вопросы о том, что потребуется для обучения по такому профилю. По его словам, сейчас с биомиметикой сложилась та же ситуация, что недавно была с нанотехнологиями: раньше было понятно, что есть физика, есть химия, но специалисты из этих областей мало пересекались друг с другом и иногда знали смежную область очень плохо. Поэтому для направления нанотехнологий, для которого важны и физика, и химия, в государственном стандарте прописали большие разделы под оба эти предмета.
Тем, кто хочет заниматься биомиметикой, тоже понадобятся глубокие знания в этих областях, но, конечно, им нужно больше часов биологии. Недаром это направление часто называют «НБИКС-природоподобные технологии»: аббревиатура расшифровывается как «нано-, био-, информационные, когнитивные и социогуманитарные технологии», а значит, будущему специалисту понадобится разбираться во всех этих областях. И если знаний информатики и когнитивных технологий на базовом уровне, как отметил Михаил Астахов, может оказаться достаточно, то математика повышенной сложности будет просто незаменимой основой.
