Вчені створили новий матеріал, у п’ять разів легший і в чотири рази міцніший за сталь

Дослідники розробили надзвичайно міцний матеріал із надзвичайно низькою щільністю, побудувавши структуру з використанням ДНК і згодом покривши її склом.

Матеріали, що володіють як міцністю, так і легкістю, можуть покращити все, від автомобілів до бронежилетів. Але зазвичай ці дві якості є взаємовиключними. Проте дослідники з Університету Коннектикуту разом зі своїми колегами створили неймовірно міцний, але легкий матеріал. Дивно, але вони досягли цього за допомогою двох несподіваних будівельних блоків: ДНК і скла.

«Для заданої щільності наш матеріал є найміцнішим із відомих», — каже Сеок-Ву Лі, матеріалознавець з UConn. Лі та його колеги з UConn, Колумбійського університету та Брукхейвенської національної лабораторії повідомляють подробиці 19 липня в Cell Reports Physical Science.

Сила відносна. Залізо, наприклад, може витримати 7 тонн тиску на квадратний сантиметр. Але він також дуже щільний і важкий, важить 7,8 грама/кубічний сантиметр. Інші метали, наприклад титан, міцніші й легші за залізо. А деякі сплави, що поєднують кілька елементів, ще міцніші. Міцні та легкі матеріали дозволили створювати легкі бронежилети, покращувати медичні прилади та робити безпечнішими та швидшими автомобілі та літаки.

Матеріалознавці з UConn і Брукхейвенської національної лабораторії створили надзвичайно міцний і легкий матеріал із ДНК і скла. Серія зображень угорі (A) показує, як скелет структури збирається з ДНК, а потім покривається склом. (B) показує зображення матеріалу, отримане за допомогою трансмісійного електронного мікроскопа, а (C) показує його зображення, зроблене за допомогою скануючого електронного мікроскопа, причому дві праві панелі збільшують зображення в різних масштабах. Авторство: Університет Коннектикуту

Наприклад, найпростіший спосіб збільшити запас ходу електромобіля — не збільшити батарею, а зробити сам транспортний засіб легшим без шкоди для безпеки та терміну служби. Але в останні роки традиційні металургійні методи досягли межі, і матеріалознавцям довелося проявити ще більше креативності, щоб розробити нові легкі високоміцні матеріали.

Тепер Лі та його колеги повідомляють, що, побудувавши структуру з ДНК і потім покривши її склом, вони створили дуже міцний матеріал з дуже низькою щільністю. Скло може здатися дивним вибором, оскільки воно легко розбивається. Однак скло зазвичай розбивається через недолік у його структурі, наприклад, тріщину, подряпину або відсутність атомів. Бездоганний кубічний сантиметр скла може витримати 10 тонн тиску, що більш ніж утричі перевищує тиск, який вибухнув підводний апарат Oceangate Titan поблизу Титаніка минулого місяця.

Дуже складно створити великий шматок скла без недоліків. Але дослідники знали, як зробити дуже маленькі бездоганні шматочки. Поки скло товщиною менше мікрометра, воно майже завжди бездоганне. А оскільки щільність скла набагато нижча, ніж у металів і кераміки, будь-які конструкції з бездоганного нанорозмірного скла повинні бути міцними і легкими.

Команда створила структуру самозбірної ДНК. Майже як Magnatiles, шматки ДНК певної довжини та хімічного складу об’єднувалися разом у скелет матеріалу. Уявіть собі каркас будинку або будівлі, але зроблений з ДНК.

Олег Ганг і Аарон Мікельсон, науковці з наноматеріалів Колумбійського університету та Центру функціональних наноматеріалів Брукхейвена, потім покрили ДНК дуже тонким шаром склоподібного матеріалу товщиною лише кілька сотень атомів. Скло лише покривало нитки ДНК, залишаючи велику частину матеріального об’єму порожнім простором, подібно до кімнат у будинку чи будівлі.

Скелет ДНК зміцнив тонке, бездоганне покриття скла, роблячи матеріал дуже міцним, а порожнечі, що становлять більшу частину об’єму матеріалу, зробили його легким. В результаті скляні нанорешіткові структури в чотири рази вищі за міцністю, але в п’ять разів менші за щільністю, ніж сталь. Таке незвичайне поєднання легкої ваги та високої міцності ніколи раніше не було досягнуто.

«Можливість створювати розроблені 3D каркасні наноматеріали з використанням ДНК і мінералізувати їх відкриває величезні можливості для розробки механічних властивостей. Але ще потрібно багато дослідницької роботи, перш ніж ми зможемо використовувати це як технологію», — каже Ганг.

Наразі команда працює з тією самою структурою ДНК, але замінює скло ще міцнішою карбідною керамікою. Вони планують поекспериментувати з різними структурами ДНК, щоб побачити, який матеріал робить найміцнішим. Майбутні матеріали, засновані на цій самій концепції, мають великі перспективи як енергозберігаючі матеріали для транспортних засобів та інших пристроїв, які надають перевагу міцності. Лі вважає, що наноархітектура ДНК-орігамі відкриє новий шлях для створення легших і міцніших матеріалів, про які ми ніколи раніше не уявляли.

«Я великий шанувальник фільмів про Залізну людину, і мені завжди було цікаво, як створити кращу броню для Залізної людини. Він повинен бути дуже легким, щоб він літав швидше. Він повинен бути дуже міцним, щоб захистити його від нападів ворогів. Наш новий матеріал у п’ять разів легший, але в чотири рази міцніший за сталь. Отже, наші скляні наногратки були б набагато кращими за будь-які інші структурні матеріали для створення покращеної броні для Залізної людини». Джерело