Vědci z Dánské technické univerzity provedli více než 200 experimentů a zkoumali konstrukci špičatých výrůstků, které zvířata a rostliny používají k různým účelům – přichycení k povrchu, příjem potravy nebo obranu. Pozorovali, jak tvar trnů, jehel, ostnů a žihadel ovlivňuje jejich pevnost.

Vědci vedení fyzikem Kaarem Hartvigem Jensenem zaměřili svou výzkumnou činnost na biomimetiku - vytváření nových technologií a materiálů, založené na nápadech převzatých od živé přírody. Autoři opakovaně naráželi na skutečnost, že malé skleněné pipety, které používali k extrakci tekutiny z rostlinných buněk, se rozpadaly při kontaktu s buněčnou stěnou. To vědce rozčilovalo a přimělo je k tomu, aby začali věnovat pozornost tenkým a odolným přírodním objektům, které se při použití nelámou.

Zkoumali jehly a špičaté výrostky z nejrůznějších materiálů a všech možných velikostí - od ostnů virů a mikroskopických řas měřících pouze 50 nanometrů až po nejdelší „jehlu“ v přírodě - 2,5 metrový kel narvala. Součástí výzkumu byly i umělé špičaté předměty, které do značné míry napodobovaly přírodní formy - hřebíky, injekční jehly a stará kopí do délky 6 metrů. Vědci hledali optimální poměr mezi pevností a pružností.

„Naše výsledky ukázaly, že existuje jasná korelace mezi délkou jehly nebo ostnu a jejich průměrem, a to jak v blízkosti špičky, tak i v místě, kde jsou připevněny k rostlině nebo zvířeti,“ uvádí Jensenova slova tisková zpráva univerzity. „Takovým způsobem je zajištěna nezbytná pevnost a pružnost špičky. Zároveň je jasné, že ostré zbraně přírody jsou na pokraji fyzických možností a všechny přírodní projekty jsou velmi podobné, bez ohledu na to, zda se podíváme na vrcholky viru v nanoměřítku nebo na 1,5metrový meč ryby mečouna.“

Aplikace nových znalostí

Co se týče kopřivy, její dlouhé ostny připomínají jehlu injekční stříkačky. Tvořené sklovitým křemíkem jsou duté a na okrajích vyztužené. To dodává ostrým chlupům mimořádnou pevnost.

Velké množství pozorování umožnilo vědcům najít varianty tvarů, které zajišťují pevnost a pružnost. Podle autorů mohou být výsledky použity při vývoji nových přesných přístrojů a lékařského vybavení.

„Tyto nové znalosti o tom, jak vypočítat optimální design špičatého předmětu, mohou být v budoucnu použity například k navrhování injekčních jehel pro nejlepší implantaci léků nebo k vývoji hřebíků, což umožní snížit spotřebu materiálu bez ztráty pevnosti,“ říká Jensen.

Samotní vědci již využili získané znalosti k vytvoření skleněných pipet nového designu, které se během biologických experimentů nelámou.