انسان با اقتباس از طبیعت و استفاده‌ی هوشمندانه از ساختارهای طراحی‌شده، قادر به ساخت موادی با خواص بهتر و دلخواه از مواد اولیه‌ی ارزان و با خواص ضعیف‌تر می‌باشد. محققان دانشگاه MIT تلاش می‌کنند با دستیابی به اسرار زیست‌شناسی، بتوانند مواد بادوام و انعطاف‌پذیر را از اجزای ساده خلق کنند، سپس برای بهبود آنها تحقیقاتی انجام دهند.
حرکت طبیعت به‌سوی تعالی
در اکثر مواقع در تحقیقات انسان‌ها، طبیعت بسیار مفید است؛ زیرا اطلاعات بسیار ارزنده‌ای را در اختیار آنها قرار می‌دهد. میلیون‌ها سال و در حقیقت در تمام طول خلقت جهان، مواد جالب و شگفت‌انگیزی به‌وسیله‌ی طبیعت خلق شده‌است؛ به‌طوری که با استفاده از واحدهای ساختمانی ضعیف، موادی با فناوری بالا خلق کرده‌است؛ به‌طوری که مهندسان در تحلیل این موارد که چطور ممکن است از واحدهای ساختمانی ضعیف موادی با خواص بالا و فناوری برتر پدید آید، درمانده و عاجز مانده‌اند و با مشاهده‌ی امر فوق تعدادی از محققان مانند پروفسور مارکوس بوهلر از دانشگاه MIT، شروع به تحقیق و تجزیه و تحلیل عمیق این فرایندها در سطح بالایی کرده اند. این محققان مشتاق کشف نحوه‌ی رفتار مواد، ویژگی‌های شیمیایی و ساختار مستحکم مواد تشکیل‌شده، هستند. در آینده، دانشمندان امیدوارند که با تقلید از این ساختارها بتوانند مواد جدیدی با ویژگی‌های برتر تولید کنند.
تصویر یک گونه از دیاتوم با نام سیمبلا سیتولا، مارکوس بوهلر بیان می کند که دیاتوم‌ها نمونه‌های خوبی از واحدهای ساختمانی ضعیفی می‌باشند، مانند سیلیکای ترد و شکننده، که می‌توانند از طریق مونتاژشان با ساختار سازمان‌دهی‌‌شده و مقیاس متفاوت در زیست‌شناسی، برای ساخت مواد محکم و بادوام به کار برده شوند.
آقای بوهلر اظهار می کند که ساختارهای پیچیده از مونتاژ اجزای ساده یا واحدهای ساختمانی ساده ساخته می‌شوند. ایشان ترجیح می‌دهد که از قیاس موزیکال استفاده کند؛ به‌عنوان مثال یک سیمفونی از همکاری چندین دستگاه موسیقی حاصل می‌شود؛ به‌طوری که هر کدام از این دستگاه‌ها به‌تنهایی نمی‌توانند یک اثر موسیقی ارزنده و پیچیده را ایجاد کنند. مشابه این قیاس، او امیدوار است تا بتواند ترکیبات و مواد پیچیده را با استفاده از مواد ساده یا واحدهای ساختمانی ساده با خواص ضعیف‌تر و با اقتباس از الگوهای طبیعت بسازد. ایشان می‌گوید که بشر متفکر حداقل در یک مورد بر طبیعت برتری دارد و آن هم انتخاب مواد است از طرف دیگر طبیعت فقط می‌تواند موادی را که در دسترس است و یا ساختارهایی را که با سعی و خطا حاصل می‌شوند،خلق کند. طبیعت نمی‌تواند مواد را تسخیر کند و فقط از آنچهکه در دسترس است و به وفور پیدا می‌شود،می تواند استفاده کند.
در مواد زیستی از قبیل تار عنکبوت که از جنس ابریشم است، هندسه‌ی ساختار آن متفاوت است. ابریشم، که قبلاً به‌وسیله‌ی آقای بوهلر مورد مطالعه قرار گرفته‌است، متشکل از مولکول‌هایی است که ذاتاً ضعیف هستند؛ اما با ترکیب مولکول‌های صفحه‌ای‌شکل، توده‌ای از الیاف به هم تابیده و شبکه‌ای‌شده تشکیل می‌شود و ساختاری با استحکام بسیار بالا ساخته می‌شود که در مقایسه با اجزای سازنده‌ی آن، بسیار قوی‌تر می‌باشد. آقای بوهلر بیان می‌کند که اگر نحوه‌ی طراحی ترکیباتی با مقیاس چندگانه از طبیعت فراگرفته شود، دیگر نیازی به واحدهای ساختمانی تخیلی نخواهد بود.
آقای پیتر فراتز، دانشمند علم مواد از مؤسسه‌ی ماکس پلانک در آلمان، در این زمینه نگرش مثبتی دارد. به عقیده‌ی وی تعداد ترکیبات شیمیایی زیاد نیست؛ اما این ترکیباتکه ذاتاً خواص ضعیفی دارند، می‌توانند با هم ترکیب شده، ترکیبات متنوعی را بسازند. حل و فصل این چنین موضوعات ساختاری، نیاز به آزمایش‌ها و نظریه‌های زیادی دارد که موارد متنوعی اعم از اندازه‌ی مولکول‌ها تا ساختار کامل را در بر می‌گیرد. تاکنون محققان بحث‌های زیادی را انجام داده‌اند؛ ولی دانشمندانی مانند آقای بوهلر امیدوارند که این بحث ها به‌سوی فعالیت‌های عملی و آزمایشگاهی سوق پیدا کند.
رویکرد و نگرش مطرح‌شده نه تنها باعث امیدواری در خلق موادی با کیفیت برتر در زمینه‌ی استحکام، الاستیسیته، خواص نوری(اپتیکی) و یا خواص الکتریکی خواهد شد؛ بلکه به‌کارگیری موادی که به‌عنوان محصولات زاید و پسماند یا موادی که کاربرد کمی پیدا کردهاند، نیز امکان‌پذیر خواهد شد.
ساختارهای سلسه‌مرتبه‌ای یا تواتری
آقای بوهلر اظهار می‌دارد که رمز ساخت مواد مستحکم از اجزای ضعیف‌تر، در این نکته نهفته‌است که مواد تشکیل‌دهنده‌ی کوچک در یک ساختار بزرگ‌تر با روش و مقیاس متفاوتی آرایش داده می‌شوند، یا به عبارت بهتر در ساختار سلسه‌مرتبه ای قرار می‌گیرند.
تشکیل ساختار مجزا و قابل تشخیص در مقیاس چندگانه، مواد بیولوژیک را قادر می‌سازد تا به ضعف ذاتی واحدهای ساختمانی غلبه کنند. آقای آقای بوهلر در مقاله‌ی Nano Today این مطلب را ذکر کرده‌است و مؤسسات NSF، ARO، AFSORD، ONR، DARPA و MIT از تحقیق وی حمایت کردهاند.
اکثر مواد ساختاری دست‌ساز بشر؛ مانند فولاد، آجر، سیمان و …، دارای ساختار ساده‌ای هستند که با تغییر مقیاس، تغییر نمی‌کنند؛ البته بعضی از کامپوزیت‌ها و ترکیبات ساخته‌شده از موادی مانند نانولوله‌های کربنی ممکن است با تغییر مقیاس، تغییراتی را نشان دهند که این مسئله از دید آقای بوهلر ، مسئله‌ای جاافتاده و حل شده‌ای می‌اشد که در اکثر طرح‌های جدید و پیچیده وجود دارد.
آقای بوهلر افزود که انسان می‌تواند ساخت مواد مستحکم و انعطاف پذیر دلخواه و برتر را با به‌کارگیری مواد ارزان‌قیمیت و در دسترس، که خواص ضعیف‌تر و شکننده‌تر هستند، مهندسی کند. سیلیکا نمونه‌ای از این مواد است.
آقای بوهلر مقاله‌ای را در Nano Today چاپ کرده‌است که بیان می‌کند طراحی ساختارهای سلسه‌مرتبه‌ای می‌تواند عاملی برای غلبه بر ضعف ذاتی یا شکنندگی اجزای تشکیل‌دهنده‌ی یک ساختار باشد. این خواص از جمله ویژگی‌هایی است که کاربردهای فنی و تکنولوژیکی مواد را محدود می‌کند.
انسان با استفاده‌ی هوشمندانه از ساختارهای طراحی‌شده، قادر به ساخت موادی با خواص بهتر و دلخواه است.
طبق نظر بوهلر ، گسترش مدل‌های کامپیوتری بسیار مهم و ضروری است؛ چرا که با این کار می توان خواص موادی را که تاکنون ساخته نشده‌است، پیش‌بینی نمود. از جمله‌ی این مدل‌ها می‌توان به مدل ساخت اتومبیل یا ساختمان اشاره کرد؛ البته فناوری امروزی برای طراحی ساختارهای پایه‌ای مواد جدید در ابتدای راه است؛ ولی با این حال طراحی بسیاری از مدل‌ها توسعه پیدا کرده و پیشرفت در این زمینه می‌تواند بهتر از علوم دیگر از قبیل زیست‌شناسی باشد.
