Исследователи из Университета Коннектикута в США и их коллеги создали очень прочный и легкий материал, структурировав блоки по образцу самособирающейся ДНК в нанорешетки, а затем покрыв стеклом. Об этом сообщает сайт SciTechDaily. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Материалы, обладающие одновременно и прочностью, и легкостью, могут серьезно улучшить многое, от автомобилей до бронежилетов, но обычно эти два качества – взаимоисключающие. Однако исследователи Университета Коннектикута вместе со своими коллегами из Колумбийского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории смогли создать невероятно прочный, и при этом легкий материал, используя нестандартное сочетание двух компонентов: ДНК и стекла.
«Для данной плотности наш материал является самым прочным из известных», – отметил Сок-Ву Ли, материаловед из Университета Коннектикута и один из ведущих авторов нового исследования. Согласно пояснениям Ли, прочность – свойство относительное. Железо, например, может выдержать давление 7 тонн на квадратный сантиметр. Но этот материал также очень плотный и тяжелый, его масса составляет 7,87 грамма на кубический сантиметр.
Есть металлы, такие как титан, которые прочнее и легче железа. А некоторые сплавы, объединяющие несколько элементов, еще прочнее. Прочные и легкие материалы позволили изготовить легкие бронежилеты, улучшить медицинские устройства и сделать более безопасные и быстрые автомобили и самолеты. Но традиционные металлургические методы в последние годы достигли своего предела, и материаловедам пришлось проявлять большую изобретательность, чтобы разработать новые легкие высокопрочные материалы.
Ли и его коллеги, построили исходную структуру из самособирающейся ДНК. Фрагменты ДНК определенной длины и химического состава соединялись вместе в скелет материала – примерно так, как возводится каркас здания. Затем, покрыв созданную структуру стеклом, исследователи получили очень прочный материал с очень низкой плотностью.
Стекло может показаться неожиданным выбором, так как оно легко разбивается. Однако обычно такое разрушение происходит из-за внутреннего дефекта – трещины, царапины или отсутствия нужных атомов в его структуре. В то же время «безупречный» по структуре кубический сантиметр стекла может выдержать 10 тонн нагрузки, что более чем в три раза превышает давление, которое в прошлом месяце взорвало подводный аппарат Oceangate Titan, построенный из новейших композитов.
Создать большой кусок стекла без изъянов – очень сложно. Но если стекло толщиной менее микрометра, оно почти всегда безупречно. А поскольку плотность стекла намного ниже, чем у металлов и керамики, любые конструкции из безупречного наноразмерного стекла должны получаться прочными и легкими.
Олег Ганг и Аарон Микельсон, специалисты из Колумбийского университета и Брукхейвенского центра функциональных наноматериалов, разработали способ покрытия ДНК-структуры очень слоем стеклоподобного материала толщиной всего в несколько сотен атомов. Стекло при этом покрывало нити ДНК, оставляя большую часть объема материала в виде пустого пространства, очень похожего на комнаты в доме или здании.
В конечном итоге «скелет» ДНК укрепился тонким безупречным покрытием из стекла, сделав материал очень прочным, а пустоты, составляющие большую часть объема материала, сделали его легким. Стеклянные нанорешетчатые структуры оказались в четыре раза выше по прочности и в пять раз ниже по плотности, чем сталь. Такое необычное сочетание легкости и высокой прочности никогда не было достигнуто ранее.
«Возможность создавать трехмерные каркасные наноматериалы с использованием ДНК и их минерализация открывает огромные возможности для повышения механических свойств. Но предстоит еще много исследовательской работы, прежде чем мы сможем использовать этот подход в качестве готовой технологии», – отметил Олег Ганг.
В настоящее время команда работает с той же структурой ДНК, но заменяет стекло еще более прочной карбидной керамикой. У них есть планы поэкспериментировать с различными структурами ДНК, чтобы увидеть, какая из них делает материал наиболее прочным. Будущие материалы, основанные на той же концепции, имеют большие перспективы в качестве энергосберегающих материалов для транспортных средств и других устройств, в которых приоритет отдается прочности.