Дослідники розробили надзвичайно міцний матеріал із низькою щільністю з використанням ДНК, яку покрили склом.
Отриманий продукт, який характеризується структурою нанорешітки, демонструє унікальне поєднання міцності та низької щільності, що робить його потенційно корисним у таких сферах застосування, як виробництво транспортних засобів і бронежилетів.
Матеріали, що володіють як міцністю, так і легкістю, можуть покращити все, від автомобілів до бронежилетів. Але зазвичай ці дві якості є взаємозаперечними. Проте дослідники з Університету Коннектикуту разом зі своїми колегами створили неймовірно міцний, але легкий матеріал. Дивно, але вони досягли цього за допомогою ДНК і скла.
«Для заданої щільності наш матеріал є найміцнішим із відомих», — каже Сеок-Ву Лі, матеріалознавець з UConn.
Сила відносна. Залізо, наприклад, може витримати 7 тонн тиску на квадратний сантиметр. Але воно також дуже щільне і важке, важить 7,8 грама на 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.
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 або подряпину. Бездоганний кубічний сантиметр скла може витримати 10 тонн тиску, що більш ніж утричі перевищує тиск, що спричинив вибух підводного апарату 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. Її фрагменти певної довжини та хімічного складу об’єднувалися разом у основу 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.
Основа з ДНК зміцнила 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.