Opracowali niezwykle wytrzymały materiał. Ma szansę zmienić wszystko
Naukowcy z Uniwersytetu Stanowego Connecticut w USA ogłosili opracowanie materiału o wysokiej wytrzymałości o niespotykanie niskiej gęstości. Typ tworzyw, posiadający te dwie cechy - lekkość i wytrzymałość, jest dość rzadki, bowiem zwykle jedna cecha wyklucza drugą.
Sukces naukowców z USA może przydać się do tworzenia niezliczonej liczby produktów. Od luksusowych jachtów po kamizelki kuloodporne. Co ciekawe, do stworzenia nowego materiału doszło dzięki połączeniu nieoczekiwanych surowców: DNA oraz szkła.
Lekkość i wytrzymałość - dwie bardzo pożądane cechy
Lekki i wytrzymały materiał to naprawdę bardzo pożądany towar. Dzięki tworzywom o takich cechach możliwe jest tworzenie bardziej wydajnych i szybszych pojazdów jak samochody i samoloty, opancerzenia dla potrzeb wojska, przyrządów używanych w medycynie.
Oczywiście tego typu materiały nie są czymś nowym - jednym z powszechnie stosowanych, lżejszych i jednocześnie bardziej wytrzymałych od stali jest np. tytan znajdujący szerokie zastosowanie w lotnictwie. Istnieją też połączenia pierwiastków chemicznych, które są jeszcze wytrzymalsze. Jednak rozwój technologii sprawił, że wytwarzanie nowych substancji jest coraz trudniejsze - jest po prostu mniej możliwości pozwalających na wymyślenie czegoś nowego. Dobrym tego przykładem są stosowane do tej pory techniki metalurgiczne, które osiągnęły niedawno limit swoich możliwości. Materiałoznawcy i inżynierowie pracujący nad tworzeniem nowych materiałów muszą starać się coraz bardziej, by wymyślić coś nowego.
Jednocześnie motywacja do poszukiwań jest duża, bo zmniejszanie ciężaru wielu urządzeń, a zwłaszcza pojazdów, jest jedną z najlepszych metod na poprawienie ich efektywności. Jest tak np. w przypadku samochodów elektrycznych, gdzie najłatwiej jest zwiększyć ich zasięg nie poprzez budowanie coraz większych akumulatorów, które charakteryzowałyby się większą pojemnością, a poprzez zmniejszenie ich wagi. Najlepszym sposobem jest stosowanie nowych materiałów, które są lżejsze, a jednocześnie odpowiednio wytrzymałe.
Tym razem, trzeba przyznać, że badacze naprawdę wykazali się pomysłowością. Wykorzystali oni strukturę DNA i pokryli ją szkłem. To zaowocowało materiałem o niskiej gęstości, która jednak nie przeszkadza w tym, by był on bardzo wytrzymały.
Szkło nie kojarzy się raczej z wytrzymałością. Jest tak jednak z powodu tego, że zwykłe szkło, z którym mamy do czynienia na co dzień, jest pełne mikroskopijnych wad, nieregularności w swojej strukturze. Jeśli jednak zostanie ono wyprodukowane z odpowiednią starannością, jego jeden centymetr sześcienny może wytrzymać nacisk sięgający aż 10 ton! Dla porównania feralna łódź Oceangate Titan, która implodowała niedawno w drodze do wraku Titanica, była zbudowana z materiałów o około trzykrotnie mniejszej wytrzymałości.
O wiele łatwiej jest jednak teoretyzować niż stworzyć taki materiał. Najtrudniejsze jest stworzenie idealnego szkła o grubości powyżej 1 mikrometra. Cieńsze szkło jest niemal zawsze nieskazitelne. Jednocześnie posiada o wiele mniejszą gęstość niż np. stal, co oczywiście sprawia, że jest ono od niej lżejsze. Naukowcy wysnuli stąd wniosek, że struktury ze szkła w skali nano powinny być bardzo wytrzymałe i lekkie.
DNA i szkło - niecodzienne połączenie
Oleg Gang i Aaron Mickelson, naukowcy z nowojorskiego uniwersytetu Columbia, biorący udział w projekcie, postanowili skorzystać ze struktury DNA. Ich zespół stworzył strukturę samoorganizującego się DNA. Tym samym fragmenty DNA o określonej długości i składzie chemicznym zostały wykorzystane do budowy szkieletu nowego materiału. Następnie, to rusztowanie zostało pokryte materiałem przypominającym szkło, którego warstwa miała grubość kilkuset atomów. Większość przestrzeni pozostała jednak pusta, bo owo „szkło” pokryło jedynie same nici DNA. To właśnie sprawiło, że materiał jest bardzo lekki.
W rezultacie uzyskane szklane struktury są aż czterokrotnie bardziej wytrzymałe, i jednocześnie pięciokrotnie mniej gęste niż stal. Takie połączenie tych dwóch cech zostało osiągnięte w takim stopniu po raz pierwszy.
Jak mówi Seok-Woo Lee, naukowiec zajmujący się materiałami na Uniwersytecie Stanowym Connecticut:
Przy tej gęstości nasz materiał jest najmocniejszym ze znanych!
Wspomniany Oleg Gang dodaje:
Zdolność do tworzenia zaprojektowanych nanomateriałów szkieletowych w trzech wymiarach przy użyciu DNA i jego mineralizacji otwiera ogromne możliwości w zakresie inżynierii właściwości mechanicznych. Zanim jednak będziemy mogli zastosować tę metodę jako użyteczną technologię, potrzeba jeszcze wielu prac badawczych.
Teraz, naukowcy zamierzają prowadzić dalsze badania, w których będą chcieli pokryć strukturę DNA ceramiką węglikową. Do prób zostaną wykorzystane różne formy DNA, co ma służyć zidentyfikowaniu najwytrzymalszej z nich. Jeśli wszystko pójdzie zgodnie z planem, już wkrótce mogą zacząć powstawać na masową skalę materiały o niespotykanej dotąd wytrzymałości.
