Naukowcy opracowali nowy materiał, który jest pięć razy lżejszy i czterokrotnie mocniejszy od stali.

Szkło DNA

Naukowcy wykorzystali DNA do stworzenia struktury, a następnie pokryli ją szkłem, tworząc bardzo twardy materiał o bardzo małej gęstości.
Trwałe i lekkie materiały mogą ulepszyć wszystko, od samochodów po kamizelki kuloodporne.

Naukowcy z Uniwersytetu Connecticut wraz ze swoimi współpracownikami opracowali obecnie niezwykle mocny i lekki materiał. Co zaskakujące, osiągnęli to za pomocą dwóch nieoczekiwanych elementów: DNA i kamera.

„Przy danej gęstości nasz materiał jest bardzo mocny” – mówi Seok-Woo Lee, materiałoznawca z UConn. Lee i współpracownicy z UConn, Columbia University i Brookhaven National Laboratory podają szczegóły 19 lipca w Cell Reports Physical Science.
Moc jest względna. Na przykład żelazo wytrzymuje nacisk 7 ton na centymetr kwadratowy. Ale jest bardzo gęsty i ciężki; Jego waga wynosi 7,8 grama/centymetr sześcienny. Inne metale, takie jak tytan, są mocniejsze i lżejsze od żelaza. Niektóre stopy łączące kilka pierwiastków są jeszcze mocniejsze. Mocniejsze i lżejsze materiały doprowadziły do ​​powstania lżejszych kamizelek kuloodpornych, lepszego sprzętu medycznego oraz bezpieczniejszych i szybszych samochodów i samolotów.

Wykres materiału lustrzanego DNA

Naukowcy zajmujący się materiałami w UConn i Brookhaven National Laboratory stworzyli niezwykle mocny, lekki materiał z DNA i szkła. Seria zdjęć powyżej (A) pokazuje, jak szkielet struktury jest przymocowany do DNA, a następnie pokryty szkłem. (b) przedstawia obraz materiału z transmisyjnego mikroskopu elektronowego i (c) przedstawia obraz ze skaningowego mikroskopu elektronowego, przy czym dwa prawe panele pokazują różne powiększenia cech.
Na przykład najprostszym sposobem na zwiększenie zasięgu pojazdu elektrycznego nie jest rozbudowa akumulatora, ale zmniejszenie masy pojazdu bez utraty bezpieczeństwa i trwałości. Jednak w ostatnich latach tradycyjne techniki metalurgiczne osiągnęły kres, a badacze zajmujący się materiałami muszą wykazać się jeszcze większą kreatywnością, aby opracować nowe, lekkie i wytrzymałe materiały.
Teraz Lee i jego współpracownicy donoszą, że stworzyli strukturę z DNA, pokryli ją szkłem i stworzyli bardzo mocny materiał o bardzo niskiej gęstości. Szkło może wydawać się zaskakującym wyborem, ponieważ łatwo się stłucze. Jednak szkło często pęka z powodu defektu w jego strukturze (pęknięcie, zadrapanie lub brakujący atom). Idealny centymetr sześcienny szkła wytrzymuje nacisk 10 ton; To trzy razy więcej niż eksplozja łodzi podwodnej Oceangate Titan w zeszłym miesiącu w pobliżu Titanica.

Bardzo trudno jest wykonać idealnie duży kawałek szkła, ale badacze wiedzą, jak zrobić bardzo małe, idealne kawałki. Dopóki grubość szkła jest mniejsza niż jeden mikrometr, zawsze będzie ono nieskazitelne. Ponieważ gęstość szkła jest znacznie niższa niż gęstość metali i ceramiki, każda konstrukcja wykonana z nieskazitelnego szkła w skali nano musi być mocna i lekka.
Zespół stworzył samoorganizującą się strukturę DNA. Prawie jak magnesy, fragmenty DNA o określonej długości i określonym składzie chemicznym łączą się ze sobą, tworząc szkielet materii. Wyobraź sobie szkielet domu lub budynku, ale wykonany z DNA.
Oleg Gang i Aaron Mickelson, naukowcy zajmujący się nanomateriałami z Uniwersytetu Columbia i Brookhaven Center for Functional Nanomaterials, następnie pokryli DNA ultracienką, przypominającą szkło warstwą o grubości kilkuset atomów. Szkło pokryło nici DNA, pozostawiając większość obiektu pustą, jak pokoje w domu lub budynku.

Szkielet DNA wzmocnił cienką, bezszwową powłokę szkła, dzięki czemu materiał był bardzo mocny, a puste przestrzenie w większości materiału sprawiły, że było lekkie. W rezultacie struktury nanosieci szklanych są czterokrotnie mocniejsze i pięciokrotnie mniej gęste niż stal. To niezwykłe połączenie lekkości i dużej wytrzymałości nigdy wcześniej nie zostało osiągnięte.
„Możliwość tworzenia nanomateriałów za pomocą zaprojektowanych struktur 3D przy użyciu DNA i ich mineralizacji otwiera ogromne możliwości w zakresie inżynierii właściwości mechanicznych. Jednak zanim będzie można je zastosować jako technologię, potrzeba wielu prac badawczych” – mówi Gang.
Zespół pracuje obecnie nad tą samą strukturą DNA, ale zamiast szkła wykorzystuje ceramikę z mocnego węglika. Planują eksperymentować z różnymi strukturami DNA, aby sprawdzić, która czyni materiał silniejszym. Przyszłe materiały oparte na tej samej koncepcji są bardzo obiecujące jako materiały energooszczędne do pojazdów i innych urządzeń, w których priorytetem jest trwałość. Lee wierzy, że nanoarchitektura origami DNA otworzy nowy sposób tworzenia lżejszych i mocniejszych materiałów, jakiego nigdy sobie nie wyobrażaliśmy.
„Jestem wielkim fanem filmów o Iron Manie i zawsze myślę o tym, jak zrobić najlepszą zbroję dla Iron Mana. Aby latać szybko, musi być bardzo lekki. Powinien być bardzo silny, aby chronić go przed atakami wroga. Nasz nowy materiał jest pięć razy lżejszy od stali, ale cztery razy mocniejszy. Zatem nasze szklane nanosiatki będą znacznie lepsze niż inne materiały konstrukcyjne, jeśli chodzi o tworzenie ulepszonego pancerza dla Iron Mana” – mówi Lee.