Крепкий как стекло

25 июля 2023 г. | Ким Кригер - UConn Communications

Построив структуру из ДНК, а затем покрыв ее стеклом, исследователи создали очень прочный материал с очень низкой плотностью.

(Гетти Изображения)

Прочные и легкие материалы могут улучшить все: от автомобилей до бронежилетов. Но обычно эти два качества являются взаимоисключающими. Теперь исследователи и коллеги из Университета Коннектикута разработали чрезвычайно прочный и легкий материал, используя два маловероятных строительных блока: ДНК и стекло.

«Для данной плотности наш материал является самым прочным из известных», — говорит Сок-Ву Ли, ученый-материаловед из Калифорнийского университета в Коннектикуте. Ли и его коллеги из Калифорнийского университета в Коннектикуте, Колумбийского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории сообщают подробности 19 июля в журнале Cell Reports Physical Science.

Сила относительна. Железо, например, выдерживает давление 7 тонн на квадратный сантиметр. Но он также очень плотный и тяжелый, его вес составляет 7,8 грамма на кубический сантиметр. Другие металлы, например титан, прочнее и легче железа. А некоторые сплавы, сочетающие в себе несколько элементов, еще прочнее. Прочные и легкие материалы позволили создать легкие бронежилеты, улучшить медицинские устройства и сделать более безопасными и быстрыми автомобили и самолеты. Например, самый простой способ увеличить запас хода электромобиля — не увеличивать аккумулятор, а сделать легче сам автомобиль, не жертвуя при этом безопасностью и сроком службы. Но в последние годы традиционные металлургические методы достигли предела, и ученым-материаловедам пришлось проявить еще больше творчества для разработки новых легких, высокопрочных материалов.

Теперь Ли и его коллеги сообщают, что, построив структуру из ДНК и затем покрыв ее стеклом, они создали очень прочный материал с очень низкой плотностью. Стекло может показаться неожиданным выбором, поскольку оно легко разбивается. Однако стекло обычно разбивается из-за дефекта – например, трещины, царапины или отсутствия атомов – в его структуре. Безупречный кубический сантиметр стекла может выдержать давление в 10 тонн, что более чем в три раза превышает давление, которое взорвало подводный аппарат Oceangate Titan возле Титаника в прошлом месяце.

Очень сложно создать большой кусок стекла без изъянов. Но исследователи знали, как делать очень маленькие безупречные детали. Если толщина стекла меньше микрометра, оно почти всегда безупречно. А поскольку плотность стекла значительно ниже, чем у металлов и керамики, любые конструкции из безупречного наностекла должны быть прочными и легкими.

Команда создала структуру самособирающейся ДНК. Почти как магнатилы, кусочки ДНК определенной длины и химического состава сцеплялись вместе в скелет материала. Представьте себе каркас дома или здания, но сделанный из ДНК.

Олег Ганг и Аарон Микельсон, ученые-наноматериалы из Колумбийского университета и Брукхейвенского центра функциональных наноматериалов, затем покрыли ДНК очень тонким слоем стеклоподобного материала толщиной всего в несколько сотен атомов. Стекло лишь слегка покрыло нити ДНК, оставив большую часть объема материала в виде пустого пространства, очень похожего на комнаты внутри дома или здания. Скелет ДНК укреплял тонкое, безупречное покрытие стекла, делая материал очень прочным, а пустоты, составляющие большую часть объема материала, делали его легким. В результате стеклянные нанорешетчатые структуры имеют в четыре раза большую прочность, но в пять раз меньшую плотность, чем сталь. Такое необычное сочетание легкости и высокой прочности никогда раньше не достигалось.

«Возможность создавать трехмерные каркасные наноматериалы с использованием ДНК и минерализовать их открывает огромные возможности для разработки механических свойств. Но прежде чем мы сможем использовать это в качестве технологии, еще предстоит провести большую исследовательскую работу», — говорит Ганг.

В настоящее время команда работает с той же структурой ДНК, но заменяет стекло еще более прочной карбидной керамикой. У них есть планы экспериментировать с различными структурами ДНК, чтобы выяснить, какая из них делает материал более прочным. Будущие материалы, основанные на этой же концепции, имеют большие перспективы в качестве энергосберегающих материалов для транспортных средств и других устройств, в которых прочность отдается приоритету. Ли считает, что наноархитектура ДНК-оригами откроет новый путь к созданию более легких и прочных материалов, о которых мы никогда раньше не мечтали.