Las espinas de los erizos de mar están hechas principalmente de calcita, pero las espinas son mucho más duraderas que esta materia prima por sí sola. La razón de su fuerza es la forma en que la naturaleza optimiza los materiales utilizando una arquitectura estilo pared de ladrillos. Un equipo de investigación dirigido por el profesor Helmut Cölfen sintetizó con éxito cemento a nivel nano de acuerdo con este principio de "ladrillo y mortero". Durante este proceso, se identificaron macromoléculas que asumen la función de mortero, pegando los bloques cristalinos entre sí en la nanoescala, con los bloques ensamblándose ellos mismos de manera ordenada. El objetivo es hacer que el cemento sea más duradero. Los resultados del estudio se publican en la edición del 1 de diciembre de 2017 de Avances de la ciencia .

"Nuestro cemento, que es significativamente más resistente a las fracturas que cualquier cosa que se haya desarrollado hasta ahora, nos brinda posibilidades de construcción completamente nuevas, "Dice Cölfen. Se podría construir un pilar hecho de este cemento 8, 000 metros de altura, o diez veces más alto que el edificio más alto actual del mundo, antes de que el material de su base fuera destruido por su peso. Acero normal, que tiene un valor de 250 megapascales, solo podía llegar a 3, 000 metros de altura.

En nanociencia, La arquitectura estilo pared de ladrillos se puede comparar con el trabajo de un albañil:cada capa de ladrillo que se coloca se mantiene en su lugar con mortero. El principio rector es aplicar capas duras, luego suave, duro, luego materiales blandos. Este es exactamente el principio que utiliza la naturaleza para hacer que las espinas de los erizos de mar sean tan resistentes. Cuando se aplica fuerza a la calcita quebradiza, su bloque cristalino se agrieta, sin embargo, la energía se transfiere luego a una capa desordenada suave. Dado que este material no tiene planos de escisión que rasgar, previene más grietas. Una sección delgada de la espina del erizo de mar revela este principio estructural:los bloques cristalinos en una estructura ordenada están rodeados por un área amorfa más suave. En el caso del erizo de mar este material es carbonato de calcio.

Las conchas o huesos de mejillón se construyen de la misma manera. "Nuestro objetivo es aprender de la naturaleza, "dice Helmut Cölfen. El investigador ha sido honrado en numerosas ocasiones por sus resultados pioneros en el campo de la cristalización, con, por ejemplo, el Premio de la Academia 2013 de la Academia de Ciencias y Humanidades de Berlín-Brandenburgo. Biónica o biomimética es el término utilizado para emplear fenómenos naturales para inspirar desarrollos técnicos.

El cemento en sí tiene una estructura desordenada:cada componente se adhiere a todos los demás. Esto significa que para que el cemento realmente se beneficie de la mayor estabilidad que brinda la construcción con ladrillos y mortero, su estructura deberá reorganizarse a nivel nano. Helmut Cölfen describe el proceso como "codificación de la resistencia a la fractura a nivel nano". En este caso, significa identificar un material que se adhiera solo con nanopartículas de cemento y nada más en el cemento. Se identificaron aproximadamente diez combinaciones de péptidos cargados negativamente que se adhieren y unen bien a los materiales.

En colaboración con la Universidad de Stuttgart, el equipo pudo utilizar un haz de iones bajo un microscopio electrónico para cortar una microestructura en forma de barra del cemento nanoestructurado que tenía un tamaño de tres micrómetros. Esta microestructura se dobló luego usando un micromanipulador. Tan pronto como fue lanzado, la microestructura volvió a su posición original. Los valores mecánicos se podrían calcular basándose en la deformación elástica de la microestructura. Basado en estos cálculos, el cemento optimizado alcanzó un valor de 200 megapascales. En comparación:conchas de mejillón, que son el estándar de oro en resistencia a las fracturas, alcanzar un valor de 210 megapascales, que es solo un poco más alto. El hormigón que se usa comúnmente hoy en día tiene un valor de dos a cinco megapascales.

Ver espinas de erizo y conchas de mejillón están hechas de calcita, porque hay grandes cantidades de calcio disponibles en el agua. Helmut Cölfen explica:"La gente tiene materiales de construcción mucho mejores que la calcita. Si logramos diseñar las estructuras de los materiales y reproducir los planos de la naturaleza, también podremos producir materiales mucho más resistentes a las fracturas, materiales de alto rendimiento inspirados en la naturaleza ".