Os espinhos do ouriço-do-mar são feitos principalmente de calcita, mas as lombadas são muito mais duráveis ​​do que esta matéria-prima sozinha. A razão de sua força é a maneira como a natureza otimiza os materiais usando uma arquitetura em estilo de parede de tijolos. Uma equipe de pesquisa liderada pelo Professor Helmut Cölfen sintetizou cimento em nível nano de acordo com este princípio de "tijolo e argamassa". Durante este processo, foram identificadas macromoléculas que assumem a função de argamassa, afixar os blocos cristalinos uns aos outros na escala nano, com os blocos se montando de maneira ordenada. O objetivo é tornar o cimento mais durável. Os resultados do estudo foram publicados na edição de 1 de dezembro de 2017 da Avanços da Ciência .

"Nosso cimento, que é significativamente mais resistente a fraturas do que qualquer coisa que tenha sido desenvolvida até agora, nos fornece possibilidades de construção completamente novas, "Cölfen diz. Um pilar feito deste cimento poderia ser construído 8, 000 metros de altura, ou dez vezes mais alto que o atual edifício mais alto do mundo, antes que o material em sua base fosse destruído por seu peso. Aço normal, que tem um valor de 250 megapascals, só poderia chegar a 3, 000 metros de altura.

Na nanociência, a arquitetura em estilo de parede de tijolo pode ser comparada ao trabalho de um pedreiro:cada camada de tijolo colocada é mantida no lugar por argamassa. O princípio orientador é aplicar camadas rígidas, então macio, duro, em seguida, materiais macios. Este é exatamente o princípio que a natureza usa para tornar os espinhos do ouriço-do-mar tão resistentes. Quando a força é aplicada à calcita quebradiça, seu bloco cristalino racha, Contudo, a energia é então transferida para uma camada desordenada mole. Uma vez que este material não tem planos de clivagem para rasgar, evita mais rachaduras. Uma fina seção da espinha do ouriço-do-mar revela este princípio estrutural:blocos cristalinos em uma estrutura ordenada são circundados por uma área amorfa mais macia. No caso do ouriço do mar, este material é carbonato de cálcio.

As cascas ou ossos dos mexilhões são construídos da mesma maneira. “Nosso objetivo é aprender com a natureza, "diz Helmut Cölfen. O pesquisador foi homenageado inúmeras vezes por seus resultados pioneiros no campo da cristalização, com, por exemplo, o Prêmio da Academia de 2013 da Academia de Ciências e Humanidades de Berlin-Brandenburg. Biônica ou biomimética é o termo usado para empregar fenômenos naturais para inspirar desenvolvimentos técnicos.

O cimento em si tem uma estrutura desordenada - cada componente adere a todos os outros. Isso significa que, para que o cimento realmente se beneficie da maior estabilidade proporcionada pela construção de tijolo e argamassa, sua estrutura terá que ser reorganizada no nível nano. Helmut Cölfen descreve o processo como "codificação da resistência à fratura em nível nano". Nesse caso, significa identificar um material que se liga apenas às nanopartículas de cimento e nada mais no cimento. Foram identificadas cerca de dez combinações de peptídeos carregados negativamente que aderem e ligam bem os materiais.

Em colaboração com a Universidade de Stuttgart, a equipe conseguiu usar um feixe de íons sob um microscópio eletrônico para cortar uma microestrutura em forma de barra do cimento nanoestruturado que tinha três micrômetros de tamanho. Esta microestrutura foi então dobrada usando um micro-manipulador. Assim que foi lançado, a microestrutura voltou à sua posição original. Os valores mecânicos podem ser calculados com base na deformação elástica da microestrutura. Com base nesses cálculos, o cimento otimizado atingiu o valor de 200 megapascais. Por comparação:conchas de mexilhão, que são o padrão ouro em resistência à fratura, alcançar um valor de 210 megapascals, que é apenas um pouco mais alto. O concreto comumente usado hoje tem um valor de dois a cinco megapascais.

Veja espinhos de ouriço e conchas de mexilhão são feitos de calcita, porque grandes quantidades de cálcio estão disponíveis na água. Helmut Cölfen explica:"As pessoas têm materiais de construção muito melhores do que a calcita. Se conseguirmos projetar as estruturas dos materiais e reproduzir os projetos da natureza, também seremos capazes de produzir muito mais materiais resistentes a fraturas - materiais de alto desempenho inspirados na natureza. "