Vědci vyvinuli lehký materiál, který je čtyřikrát pevnější než ocel

Vědci vyvinuli lehký, ale pevný materiál spojením dvou neočekávaných složek: DNA a skla.

Pracuji v Nano měřítko Poskytuje vědcům hluboké porozumění a přesnost při formulování a analýze materiálů. Ve velkovýrobě a dokonce i v přírodním prostředí je mnoho materiálů náchylných k defektům a kontaminantům, které mohou ovlivnit jejich složitou strukturu. Tyto slabiny mohou způsobit, že se pod tlakem zlomí. To je zvláště patrné u většiny typů skla, což vede k jeho pověsti jako křehkého materiálu.

Vědcům z Columbia University, University of Connecticut a Brookhaven National Laboratory amerického ministerstva energetiky se podařilo vytvořit čistou formu skla a zakrýt specializované kusy skla. DNA Pomocí toho vytvořil materiál, který byl nejen pevnější než ocel, ale byl neuvěřitelně lehký. Materiály s těmito dvěma kvalitami jsou neobvyklé a další výzkum by mohl vést k novým inženýrským a obranným aplikacím. Výsledky byly publikovány v časopise MLL RZprávy o fyzikální vědě.

DNA – stavební kameny života a další

V živých organismech kyselina deoxyribonukleová kyselýNukleová kyselina, běžněji známá jako DNA, nese biologickou informaci, která instruuje buňky živých organismů, jak se tvořit, růst a rozmnožovat. Materiál, který tvoří DNA, je známý jako polymer, třída tvrdých pružných materiálů, které zahrnují plasty a gumu. Jejich flexibilita a jednoduchost zaujaly vědce v oblasti materiálů a inspirovaly mnoho zajímavých experimentů. Oleg Gang, materiálový vědec z Centra pro funkční nanomateriály (CFN), uživatelské zařízení DOE pro vědu v Brookhaven Laboratory a profesor na Kolumbijská univerzitaJedinečné vlastnosti DNA byly využívány k výrobě materiálů po celá léta, což vedlo k mnoha objevům. Tato nová technologie inspirovala řadu inovativních aplikací, od dodávání léků až po elektroniku.

Zhang již dříve spolupracoval s hlavním autorem článku, postdoktorským výzkumníkem z Brookhavenu Aaronem Michelsonem, na experimentu, který používal struktury DNA k vybudování robustního rámce pro nové materiály. Molekuly DNA se chovají zajímavým způsobem. Jednotlivé nukleotidy, základní jednotky nukleových kyselin jako DNA a… RNA, určuje propojení mezi komplementárními sekvencemi. Přesný způsob, jakým jsou vzájemně propojeny, umožňuje vědcům vyvinout způsoby, jak zkonstruovat skládání DNA do specifických tvarů označovaných jako „origami“, pojmenované po japonském umění skládání papíru. Tyto motivy DNA jsou stavební bloky v nanoměřítku, které lze naprogramovat pomocí směrovatelných vazeb DNA na „Vlastní montážTo znamená, že z těchto papírových bloků DNA se mohou spontánně tvořit dobře definované struktury s opakujícím se vzorem.

Tyto bloky se poté slepí a vytvoří větší síť, strukturu s opakujícím se vzorem. Tento proces umožňuje vědcům zkonstruovat uspořádané 3D nanomateriály z DNA a začlenit anorganické nanočástice a proteiny, jak ukázaly předchozí studie skupiny. Po pochopení a kontrole tohoto jedinečného procesu montáže byli Zhang, Michelson a jejich tým schopni prozkoumat, čeho lze dosáhnout použitím těchto biomolekulárních lešení k vytvoření struktur oxidu křemičitého, které udržují strukturu lešení.

„Zaměřili jsme se na použití DNA jako programovatelného nanomateriálu k vytvoření komplexního 3D lešení a chtěli jsme prozkoumat, jak by toto lešení fungovalo mechanicky, když by se přeneslo na stabilnější pevné látky,“ řekl Michelson. montovaný materiál litý do siliky, hlavní složky skla a jeho potenciálu.

Michelsonova práce v této oblasti mu vynesla cenu Roberta Simona Memorial Prize na Kolumbijské univerzitě. Jeho výzkum rámců DNA prozkoumal řadu vlastností a aplikací, od mechanických vlastností po supravodivost. Stejně jako mnoho struktur, na kterých je postaven, Michelsonova práce stále roste a buduje, když získává nové vrstvy informací z těchto vzrušujících experimentů.

Další část výrobního procesu byla inspirována biomineralizací, což je způsob, jakým živá tkáň produkuje minerály, které se stávají tvrdšími, jako je kost.

„Velmi nás zajímalo, jak bychom mohli zlepšit mechanické vlastnosti běžných materiálů, jako je sklo, ale strukturovat je v nanoměřítku,“ řekl Gang.

Vědci použili extrémně tenkou vrstvu křemičitého skla o tloušťce jen asi 5 nanometrů nebo několik set atomů, aby zakryli rámce DNA, nechali vnitřní prostory otevřené a zajistili, že výsledný materiál je extrémně lehký. V tomto malém měřítku je sklo necitlivé k nedokonalostem nebo nedokonalostem a poskytuje pevnost, kterou nelze vidět u větších kusů skla, kde se vytvářejí praskliny a způsobují jejich rozbití. Tým chtěl přesně vědět, jak silný je tento materiál, který v tomto měřítku vyžaduje velmi specializované vybavení.

Síla pod tlakem

Existují jednoduché způsoby, jak zkontrolovat, zda je něco silné. Tykání, strkání, opírání se o povrchy a pozorování jejich chování často poskytují užitečné informace. Ohýbá se, křičí, krčí se nebo stojí v klidu pod tlakem? Jedná se o jednoduchý, ale účinný způsob, jak porozumět tělesné síle, a to i bez nástrojů k jejímu přesnému měření. Jak lze stlačit předmět tak malý, že jej není vidět?

„K měření síly těchto drobných struktur jsme použili techniku ​​zvanou nanotechnologie,“ vysvětlil Michelson. „Nanoindentace je mechanický test ve velmi malém měřítku prováděný pomocí přesného přístroje, který dokáže aplikovat a měřit odporové síly. Naše vzorky mají tloušťku jen několik mikronů, asi tisícinu milimetru, takže je nemožné měřit tyto materiály běžnými prostředky.“ Pomocí elektronového mikroskopu a nanopóru společně můžeme měřit mechanické chování a zároveň sledovat proces lisování.

Když malé zařízení stlačí nebo přemístí vzorek, vědci mohou provádět měření a sledovat mechanické vlastnosti. Mohou pak vidět, co se stane s materiálem, když se tlak uvolní a vzorek se vrátí do původního stavu. Pokud dojde k tvorbě trhlin nebo pokud konstrukce v kterémkoli místě selže, lze tato cenná data zaznamenat.

Při testování bylo zjištěno, že síť DNA potažená sklem je čtyřikrát pevnější než ocel! Ještě zajímavější je, že jeho hustota byla asi pětkrát nižší. I když existují materiály, které jsou pevné a poměrně lehké, nikdy předtím toho nebylo dosaženo.

Tato technologie však nebyla v CFN vždy snadno dostupná.

„Spolupracovali jsme se Seok-woo Lee, docentem na University of Connecticut, který má odborné znalosti v oblasti mechanických vlastností materiálů,“ řekl Jang. „Byl to uživatel CFN, který využil některé z našich schopností a zdrojů, jako jsou elektronové mikroskopy, a tak jsme si s ním vytvořili vztah. Zpočátku jsme neměli schopnost používat nanotechnologie, ale přivedl nás k správné nástroje a nasměrují nás na správnou cestu. Toto je další příklad „Jak mohou vědci z akademické obce a národních laboratoří těžit ze spolupráce. Nyní máme nástroje a odborné znalosti, abychom takové studie posunuli ještě dále.“

Postavte něco nového a vzrušujícího

I když je třeba udělat ještě hodně práce, než se rozšíříme a zvážíme nesčetné množství aplikací pro takové materiály, stále existují důvody, proč se vědci zabývající se materiály vzrušují tím, co to znamená posouvat se vpřed. Tým plánuje podívat se na další materiály, jako je karbidová keramika, která je pevnější než sklo, aby zjistil, jak fungují a chovají se. To by mohlo v budoucnu vést k pevnějším a lehkým materiálům.

I když je jeho kariéra stále v raných fázích, Michelson už toho dosáhl hodně a už se těší na zahájení dalších fází svého výzkumu.

„Je to úžasná příležitost být postdoktorským výzkumníkem v laboratoři v Brookhavenu, zvláště poté, co byl studentem na Columbii a tolik pracoval v CFN,“ vzpomíná Michelson. „To mě motivovalo zůstat tam jako postdoktorandský výzkumník. Schopnosti, které máme v CFN, zejména v oblasti fotografie, mi opravdu pomohly řídit mou práci.“

Reference: „Vysoce pevná, lehká nanosilika“ od Aarona Michelsona, Tylera J. Flanagana, Seok-woo Lee a Olega Janga, 27. června 2023, Zprávy buňky Fyzická věda.
doi: 10.1016/j.xcrp.2023.101475