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Studien-Ergebnis-HilfsErzeugnis-Bessere Bio-Inspirierte Materialien

Published on November 29, 2012 at 7:07 AM

Zertrümmern Sie für Pound, Armkreuz, das Seide eins der stärksten bekannten Materialien ist: Forschung durch Markus Buehler MITS hat geholfen, zu erklären, dass diese Stärke aus der ungewöhnlichen hierarchischen Anordnung der Seide für ProteinBausteine sich ergibt.

Dieses Diagramm der Molekülstruktur von einer der künstlich produzierten Versionen der Armkreuzseide stellt ein, das ausfiel, die starken, gut-verbundenen Fasern zu bilden dar. Eine andere Zelle, gemacht unter Verwendung einer Variante der gleichen Methoden, war nicht in der Lage, sich in die Langfasern zu bilden, die benötigt wurden, um sie nützlich zu machen. Die Musikkompositionen, die auf den zwei Zellen basierten, halfen, zu zeigen, wie sie sich unterschieden. (Bild: Markus Buehler)

Jetzt hat Buehler - zusammen mit David Kaplan der Büschel-Universität und Joyce Wong von Boston-Universität - neue Varianten auf der natürlichen Zelle der Seide synthetisiert und eine Methode für die Herstellung von weiteren Verbesserungen im Kunststoff gefunden.

Und ein Ohr für Musik, wäre möglicherweise es ausfällt, eine Taste zur Herstellung jener Strukturverbesserungen.

Die Arbeit stammt eine Zusammenarbeit von Zivil- und Umweltingenieure, Mathematiker, biomedizinische Ingenieure und musikalische Komponisten ab. Die Ergebnisse werden in einem Papier gemeldet, das Heute im veröffentlicht wird Zapfen, der Nano ist.

„Wir versuchen, uns Materialien in anderer Weise machen zu nähern,“ Buehler erklären, „abfahrend von den Bausteinen“ - in diesem Fall, die Proteinmoleküle, die die Zelle der Seide bilden. „Es ist sehr hart, dies zu tun; Proteine sind sehr komplex.“

Andere Gruppen haben versucht, solche proteinbasierten Fasern unter Verwendung eines Ausprobierenanfluges zu konstruieren, sagt Buehler. Aber dieses Team hat sich dem Problem systematisch, beginnend mit der Computerformung der zugrunde liegenden Zellen genähert, die der natürlichen Seide seine ungewöhnliche Kombination der Stärke, der Flexibilität und des stretchiness geben.

Buehlers vorhergehende Forschung hat bestimmt, dass Fasern mit einer bestimmten Zelle helfen - in hohem Grade bestellt, strukturiert überlagertes Protein die Abwechslung mit den dicht gepackten, verwirrten Büscheln von Proteinen (ABABAB) -, Seide seine außergewöhnlichen Eigenschaften zu geben. Für diesen Anfangsversuch an der Synthetisierung eines neuen Materials, beschloss das Team, Mustern in stattdessen zu betrachten, trat welches der Zellen in den Dreiergruppen auf (AAAB und BBBA).

Solche Zellen Zu Machen ist keine einfache Aufgabe. Kaplan, ein chemischer und biomedizinischer Ingenieur, geänderte Seide-produzierende Gene, zum dieser neuen Reihenfolgen der Proteine zu produzieren. Dann erstellte Wong, ein Bioengineer und Materialwissenschaftler, eine microfluidic Einheit, die das Seidenspinnereiorgan des Armkreuzes nachahmte, das eine Spinndüse genannt wird.

Sogar nach der ausführlichen Computerformung, die in es einstieg, kam das Ergebnis als Bit einer Überraschung, sagt Buehler. Eins der neuen Materialien produzierte sehr starke Proteinmoleküle - aber diese hafteten zusammen nicht als Gewinde. Die anderen produzierten schwächeren Proteinmoleküle, die gut befolgten und gebildet einem guten Gewinde. „Dieses brachte uns bei, dass dass es nicht genügend ist, die Eigenschaften der Proteinmoleküle als allein zu betrachten,“ er, sagt. „Eher, [ein muss], denken an, wie sie kombinieren können, um ein mit guten Beziehungen Netz an einer größeren Schuppe zu bilden.“

Das Team produziert jetzt einige mehr Varianten des Materials, um seine Eigenschaften weiter zu verbessern und zu prüfen. Aber eine Falte in ihrem Prozess stellt möglicherweise in herausfinden, das Materialien und welche werden nützlich sind, nicht - und möglicherweise, in dem einen beträchtlichen zur Verfügung Vorteil sogar möglicherweise für spezifischen Gebrauch günstiger wäre. Diese neue und in hohem Grade ungewöhnliche Falte ist Musik.

Die verschiedenen Niveaus der Zelle der Seide, sagt Buehler, ist den hierarchischen Elementen analog, die eine Musikkomposition - einschließlich Abstand, Reichweite, Dynamik und Tempo bilden. Das Team trug die Hilfe des Komponisten John McDonald, ein Professor von Musik an den Büscheln und AN MIT-postdoc David Spivak, ein Mathematiker ein, der auf einem Gebiet sich spezialisiert, das Kategorientheorie genannt wird. Zusammen unter Verwendung der analytischen Hilfsmittel, die von der Kategorientheorie berechnet wurden, um die Proteinzellen zu beschreiben, fand das Team heraus, wie man die Details der Zelle der Kunstseide in Musikkompositionen überträgt.

Die Unterschiede waren ziemlich eindeutig: Das starke aber unbrauchbare Material übertragen in Musik, die aggressiv und rau war, sagt Buehler, während das, das brauchbare Fasern bildete, viel weicher und flüssiger klingt.

Buehler hofft, dieses einen Schritt, unter Verwendung der Musikkompositionen weiter unternommen werden kann, zum vorauszusagen, dass wie gut neue Varianten möglicherweise des Materials durchführten. „Wir suchen nach radikal neuen Methoden des Konstruierens von Materialien,“ sagt er.

Die Kombination von den Materialien, die mit den mathematischen und musikalischen Hilfsmitteln formen, sagt Buehler, könnte eine viel schnellere Methode des Konstruierens von neuen biosynthesized Materialien zur Verfügung stellen und den Ausprobierenanflug austauschen, der heute vorherrscht. Organismen Genetisch auszuführen um Materialien zu produzieren ist ein langer, sorgfältiger Prozess, sagt er, aber diese Arbeit „hat uns ein neues Konzept, eine grundlegende Lektion“ beigebracht wenn sie Experiment kombinierte, Theorie und Simulation um den Findungsprozess zu beschleunigen.

Materialien produzierten auf diese Weise - das unter gutartigem Umwelt- erfolgt sein kann, Raumtemperaturzustände - könnte zu Neubaublöcke für Gewebetechnik führen, oder anderer Gebrauch, Buehler sagt: Gestelle für Austauschorgane, Haut, Blutgefäße oder sogar neue Materialien für Gebrauch im Tiefbau.

Es ist möglicherweise, dass die komplexen Zellen von Musik die zugrunde liegenden komplexen Zellen von den Biosubstanzen aufdecken können, die in der Natur gefunden werden, Buehler sagt. „Es gäbe möglicherweise einen zugrunde liegenden strukturellen Ausdruck in der Musik, die uns mehr über die Proteine mitteilt, die unsere Gehäuse bilden. Schließlich umfassen möglicherweise unsere Organe - einschließlich das Gehirn - werden gemacht von diesen Bausteinen und vom Ausdruck der Menschen von Musik unbeabsichtigt mehr Informationen, dass wir sind bewusst.“

„Niemand hat in dieses geklopft,“ sagt er und fügt das mit der Breite seines multidisziplinären Teams hinzu, „Wir könnten dies tun - bessere Bio-inspirierte Materialien machend, indem wir Musik verwendeten, und verwendeten Musik, um Biologie besser zu verstehen.“

Quelle: http://web.mit.edu

Last Update: 29. November 2012 08:31

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