Polacy skopiowali futro niedźwiedzia polarnego. Stworzyli przełomowe nanowłókna

Czy futro kota stepowego może pomóc ograniczyć rachunki za ogrzewanie, a sierść niedźwiedzia polarnego zainspirować nową generację materiałów dla wojska? Badacze z Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie dowodzą, iż to już się dzieje. Zespół kierowany przez Urszulę Stachewicz odtwarza w laboratorium nanostruktury znane z natury, tworząc lekkie, wydajne i energooszczędne materiały przyszłości.

Matka natura miała miliony lat na przeprowadzenie prób i błędów w swoim gigantycznym, otwartym laboratorium. Zwierzęta i rośliny wykształciły mechanizmy przetrwania w najbardziej niegościnnych zakątkach Ziemi.

To podejście, polegające na podglądaniu i kopiowaniu biologicznych rozwiązań, nosi nazwę biomimetyzmu. I choć na świecie najsłynniejszym przykładem tego zjawiska pozostają japońskie pociągi Shinkansen inspirowane dziobem zimorodka, w Polsce rodzi się właśnie technologia, która może wywrócić do góry nogami branżę budowlaną, odzieżową, a choćby wojskową.

Biomimetyzm stoi za współpracą inżynierów materiałoznawstwa z AGH z opiekunami zwierząt z wrocławskiego zoo. Naukowcy z Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej analizują strukturę włosów, piór czy futer różnych gatunków zwierząt, aby zrozumieć mechanizmy ich izolacyjności cieplnej.

Więcej na Spider’s Web:

Próbki przekazane końcem 2025 r. przez pracowników zoo pochodzą m.in. od reniferów, panter śnieżnych, manuli, wielbłądów, żubrów czy pingwinów przylądkowych.

Badacze z AGH pracują wyłącznie na naturalnie zrzucanych włosach i piórach zwierząt lub pochodzących z rutynowych zabiegów pielęgnacyjnych w zoo. Jak podkreślają, przyroda stanowi ogromne laboratorium rozwiązań materiałowych.

Natura tworzy rzeczy w sposób niezwykle przemyślany. Struktury, które obserwujemy u zwierząt czy roślin, powstały w wyniku milionów lat ewolucji i mają bardzo konkretny cel, np. ochrona przed ekstremalnymi temperaturami, zarówno niskimi, jak i wysokimi. Naszym zadaniem, jako inżynierów, jest zrozumieć, jak działają i spróbować przenieść te mechanizmy dzięki nowoczesnej technologii – wyjaśnia dr inż. Daniel Ura z zespołu badawczego Electrospun Fibers Group.

Dla biologa futro to element fizjologii zwierzęcia. Dla inżyniera materiałowego to struktura o precyzyjnie zaprojektowanych przez naturę adekwatnościach.

Prestiżowy grant ERC pozwolił stworzyć nowoczesne laboratorium, w którym kilkunastoosobowy zespół bada mechanizmy podpatrzone w naturze. Fot. archiwum AGH

Badacze z AGH analizują włosy czy pióra przy użyciu szeregu zaawansowanych technik, m.in. przy pomocy skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), mikroskopii sił atomowych, spektroskopii FTIR (technika wykorzystująca promieniowanie podczerwone do badania drgań cząsteczek) czy testów mechanicznych. Pozwala to zobaczyć szczegóły struktury w skali mikro- i nanometrowej.

Czasami inspiracji naturą nie widać gołym okiem. Dopiero precyzyjna mikroskopia elektronowa pokazuje, jak niezwykle złożone są te struktury – tłumaczą badacze.

Sekret niedźwiedzia polarnego

Jednym z największych odkryć inżynierii podpatrzonej w naturze jest budowa włosa niedźwiedzia polarnego. Przecięcie go ukazało fascynujący obraz. Środek włosa jest całkowicie pusty. Ten pusty rdzeń działa jak naturalna pułapka na powietrze, które jest doskonałym izolatorem.

To właśnie dzięki tej mikroskopijnej pustce drapieżnik nie zamarza na arktycznym lodzie. Badacze z AGH zauważyli też wyraźne różnice w budowie włosa w zależności od szerokości geograficznej, z której pochodzi zwierzę, co stanowi fenomenalną bazę danych do projektowania nowoczesnych osłon termicznych.

Ale inspiracji nie trzeba szukać tylko na biegunach. Doskonałym przykładem jest kaktus Cephalocereus senilis, pieszczotliwie nazywany głową starca. Roślina ta pokryta jest gęstymi, przypominającymi siwe włosy włóknami, które pozwalają jej przetrwać mordercze warunki pustyni.

Badania mikroskopowe ujawniły, iż powierzchnia tych roślinnych włosów nie jest gładka. Posiada skomplikowany system wypustek i rowków. Te nierówności mają jedno zadanie – zaburzyć ruch powietrza i maksymalnie utrudnić wymianę ciepła z otoczeniem. Skopiowanie tej struktury okazało się strzałem w dziesiątkę.

Tak powstają materiały przyszłości

Aby odtworzyć strukturę włosów czy piór, badacze z AGH wykorzystują technikę elektroprzędzenia. Włókna polimerowe, które wytwarzamy metodą elektroprzędzenia, swoją budową przypominają włosy. Są jednak znacznie cieńsze, mówimy o skali mikro- i nanometrów.

Proces, w dużym uproszczeniu, polega na rozpuszczeniu polimeru we właściwym rozpuszczalniku, a następnie formowaniu z niego bardzo cienkich włókien w silnym polu elektrycznym. Po odparowaniu rozpuszczalnika zostają nam mikroskopijne włókna. Z milionów takich włókien powstaje bardzo lekka, porowata mata. Największą zaletą tej metody jest możliwość sterowania parametrami procesu. Możemy zmieniać różne parametry typu temperaturę czy wilgotność. Zmiana jednego parametru potrafi całkowicie zmienić adekwatności materiału, na przykład sprawić, iż stanie się bardziej kruchy albo bardziej elastyczny – tłumaczy dr inż. Daniel Ura.

Technika elektroprzędzenia jest dziś jedną z najważniejszych metod wytwarzania nanowłókien w inżynierii materiałowej.

Z laboratorium do domu i wojska

Jednym z najważniejszych zastosowań takich materiałów może być energooszczędne budownictwo. Lepsze materiały izolacyjne mogą znacząco zmniejszyć zapotrzebowanie na energię.

Badaliśmy między innymi sytuację, w której przewód metalowy nagrzewa się pod wpływem przepływu prądu. Pokrywaliśmy go naszą matą z nanowłókien, żeby sprawdzić, jak wpływa ona na przepływ ciepła. Wyniki sugerują, iż materiały inspirowane naturą mogą skutecznie ograniczać straty energii – mówią naukowcy.

Maty z nanowłókien mogą znaleźć wiele zastosowań: począwszy od izolacji elementów okien, przez lekkie tekstylia techniczne, materiały filtracyjne czy warstwy w maseczkach ochronnych.

Takie materiały są bardzo lekkie i dobrze przepuszczają powietrze, a jednocześnie mogą mieć bardzo dobre adekwatności filtracyjne i izolacyjne – podkreślają naukowcy działający w zespole Electrospun Fibers Group.

Badania nad futrem zwierząt czy włóknami kaktusa pokazują, iż przyroda jest niezwykle skutecznym projektantem materiałów.

Obserwacja natury może nas bardzo wiele nauczyć. Zwierzęta i rośliny przystosowały się do ekstremalnych warunków środowiskowych. jeżeli zrozumiemy te mechanizmy, możemy stworzyć materiały, które będą równie efektywne. Dlatego, jak podkreślają badacze, poznawanie i ochrona przyrody ma znaczenie nie tylko dla biologii. Natura jest ogromnym źródłem inspiracji dla technologii przyszłości. Im lepiej ją poznamy, tym więcej rozwiązań będziemy mogli przenieść do inżynierii, a tym samym do codziennego użytku – podkreśla prof. Urszula Stachewicz.

Prace realizowane są w ramach projektu BioCom4SavEn (Bioinspired Composites Strategies for Saving Energy) finansowanego przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych (ERC). Prestiżowy grant ERC, który prof. Urszula Stachewicz z AGH zdobyła pięć lat temu, pozwolił stworzyć nowoczesne laboratorium, w którym kilkunastoosobowy zespół bada mechanizmy podpatrzone w naturze i implementuje je w rozwiązaniach technologicznych.

Główna ilustracja: Badacze analizują materiały, ich strukturę i adekwatności. Fot. archiwum AGH