Исследователи разработали очень прочный материал с чрезвычайно низкой плотностью, создав структуру с использованием ДНК и впоследствии покрыв ее стеклом.
Материалы, обладающие одновременно прочностью и легкостью, могут улучшить все, от автомобилей до бронежилетов. Но обычно эти два качества взаимоисключающие. Однако исследователи из Университета Коннектикута вместе со своими коллегами создали невероятно прочный, но легкий материал. Удивительно, но они достигли этого, используя два неожиданных строительных блока: ДНК и стекло.
«Для данной плотности наш материал является самым прочным из известных», — говорит Сок-Ву Ли, материаловед из Калифорнийского университета в Коннектикуте. Ли и его коллеги из UConn, Колумбийского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории сообщают подробности 19 июля в Cell Reports Physical Science .
Сила относительна. Железо, например, может выдержать давление 7 тонн на квадратный сантиметр. Но он также очень плотный и тяжелый, его вес составляет 7,8 грамма на кубический сантиметр. Другие металлы, такие как титан, 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.
Материаловеды из Калифорнийского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории создали исключительно прочный и легкий материал из ДНК и стекла. Серия изображений вверху (А) показывает, как каркас конструкции собирается из ДНК, а затем покрывается стеклом. (B) показывает изображение материала, полученное с помощью просвечивающего электронного микроскопа, а (C) показывает его изображение, полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа, с двумя правыми панелями, увеличенными до особенностей в разных масштабах. Предоставлено: Университет Коннектикута.
Например, самый простой способ увеличить запас хода электромобиля — не увеличивать батарею, а сделать сам автомобиль легче, не жертвуя при этом безопасностью и сроком службы. Но традиционные металлургические методы в последние годы достигли своего предела, и материаловедам пришлось проявить еще большую изобретательность, чтобы разработать новые легкие высокопрочные материалы.
Теперь Ли и его коллеги сообщают, что, построив структуру из ДНК, а затем покрыв ее стеклом, они создали очень прочный материал с очень низкой плотностью. Стекло может показаться неожиданным выбором, так как оно легко разбивается. Однако стекло обычно разбивается из-за дефекта, такого как трещина, царапина или отсутствие атомов в его структуре. Безупречный кубический сантиметр стекла может выдержать 10 тонн давления, что более чем в три раза превышает давление, которое в прошлом месяце взорвало подводный аппарат Oceangate Titan возле Титаника.
Очень сложно создать большой кусок стекла без изъянов. Но исследователи знали, как делать очень маленькие безупречные кусочки. 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 быть прочными и легкими.
Команда создала структуру самособирающейся ДНК. Почти как Magnatiles, фрагменты ДНК определенной длины и химического состава соединялись вместе в скелет материала. Представьте себе каркас дома или здания, но сделанный из ДНК.
Олег Ганг и Аарон Микельсон, ученые-наноматериалисты из Колумбийского университета и Брукхейвенского центра функциональных наноматериалов, затем покрыли ДНК очень тонким слоем стеклоподобного материала толщиной всего в несколько сотен атомов. Стекло только что покрыло нити ДНК, оставив большую часть объема материала в виде пустого пространства, очень похожего на комнаты в доме или здании.
Скелет ДНК укрепил тонкое безупречное покрытие стекла, сделав материал очень прочным, а пустоты, составляющие большую часть объема материала, сделали его легким. В результате стеклянные нанорешетчатые структуры в четыре раза выше по прочности, но 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 инженерных механических свойств. Но предстоит еще много исследовательской работы, прежде чем мы сможем использовать ее в качестве технологии», — говорит 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. Ли считает, что наноархитектура ДНК-оригами откроет новый путь для создания более легких и прочных материалов, о которых мы раньше и не подозревали.
«Я большой поклонник фильмов о Железном человеке, и мне всегда было интересно, как создать лучшую броню для Железного человека. Он должен быть очень легким, чтобы летать быстрее. Он должен быть очень сильным, чтобы защитить его от атак врагов. Наш новый материал в пять раз легче, но в четыре раза прочнее стали. Таким образом, наши стеклянные нанорешетки будут намного лучше, чем любые другие конструкционные материалы, для создания улучшенной брони для Железного человека».
Ссылка: «Высокопрочный и легкий кремнезем с наноархитектурой», авторы Аарон Майкельсон, Тайлер Дж. Фланаган, Сок-Ву Ли и Олег Ган, 27 июня 2023 г., Cell Reports Physical Science .
DOI: 10.1016/j.xcrp.2023.101475
Для того, чтобы быть в курсе новостей в сфере науки, подписывайтесь на наш Telegram-канал.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
