Ученые создали новый материал, который в пять раз легче и в четыре раза прочнее стали

Прочные и легкие материалы могут улучшить все: от автомобилей до самолетов и медицинского оборудования. Теперь исследователи создали чрезвычайно прочный материал с очень низкой плотностью, используя два маловероятных строительных блока: ДНК и стекло.

«Для данной плотности наш материал является самым прочным из известных», — говорит Сок-Ву Ли из Университета Коннектикута, который сотрудничал с коллегами из Колумбийского университета и Брукхейвенской национальной лаборатории.

«Я большой поклонник фильмов о Железном человеке», — размышляет ученый в области наноматериалов Олег Ганг. «Мне всегда было интересно, как создать лучшую броню для Железного человека. Должно быть, он очень легкий, 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».

Некоторые металлы, например титан, прочнее и легче железа. Некоторые сплавы еще прочнее, что позволяет создавать легкие бронежилеты, более качественные медицинские устройства, а также более безопасные и быстрые автомобили и самолеты. В последние годы металлургические технологии достигли предела, пока наноматериалы не открыли творческие возможности.

Коллеги сообщили в Cell Reports Physical Science, 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 этим летом взорвало подводный аппарат Oceangate Titan возле Титаника.

САМЫЙ ПОПУЛЯРНЫЙ: В случае повторения новое физическое открытие может обеспечить левитацию любому устройству посредством магнетизма окружающего давления

По данным UCONN News, очень сложно создать большой кусок стекла без дефектов. 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.

Ганг и Аарон Микельсон из Колумбийского и Брукхейвенского центра функциональных наноматериалов 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, как строительные леса, укреплял тонкое, безупречное покрытие стекла, делая материал очень прочным — поскольку пустоты составляли большую часть объема материала, он стал легким.

ЕЩЕ ОДИН ПРОРЫВ: Ошеломленные исследователи обнаружили, что металлы могут самоисцеляться «без вмешательства человека»

В результате структура нанорешетки стекла создала невиданное ранее сочетание прочности и легкости.

«Возможность создавать наноматериалы с трехмерным каркасом с использованием ДНК и минерализовать их открывает огромные возможности для разработки механических свойств». Банда объяснила это в выпуске UConn News.

Но еще предстоит провести большую исследовательскую работу. 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.

НЕВЕРОЯТНЫЙ: Ученые разработали новый материал, который сделает литий-ионные аккумуляторы самовосстанавливающимися и легко поддающимися вторичной переработке

Ли считает, что наноархитектура ДНК-оригами откроет новый путь к созданию более легких и прочных материалов, о которых мы никогда раньше не мечтали.