Materiały używane w inżynierii są albo wytrzymałe, albo lekkie – cechy te nigdy nie idą ze sobą w parze. Ale wkrótce może się to zmienić, bo naukowcy z University of Connecticut opracowali innowacyjny materiał, który łączy oba światy. Udało się im tego dokonać przy użyciu dwóch niesamowitych elementów: DNA i szkła. Szczegóły przedstawiono na łamach czasopisma Cell Reports Physical Science.
Czytaj też: Jak technika sprzed 2000 lat wspomaga współczesne materiały?
Dr Seok-Woo Lee z University of Connecticut mówi:
Dla danej gęstości, nasz materiał jest najmocniejszym ze znanych.
DNA + szkło = materiał przyszłości?
Trudno jednoznacznie stwierdzić, jaki jest najwytrzymalszy materiał na świecie, bo parametr ten jest zależny od innych cech fizycznych. Dla przykładu: żelazo może wytrzymać nacisk 7 ton na cm2, ale jest przy tym gęste i ciężkie (7,8g/cm3). Istnieją materiały lżejsze i wytrzymalsze od żelaza (np. tytan), ale ważne jest ich umiejętne łączenie. Dzięki stopom różnych metali mamy lekkie pancerze, bezpieczne implanty medyczne, szybsze samochody czy bardziej ekologiczne pociągi. Wydaje się, że tradycyjne techniki metalurgiczne osiągnęły swoje limity w ostatnich latach, a uczeni muszą wykazywać się coraz większą kreatywnością, aby tworzyć nowe lekkie materiały o wyjątkowej wytrzymałości.
Czytaj też: Ośmiornice znów nas zainspirowały. Nowy materiał będzie podstawą kamuflażu doskonałego
Zespół dr Seok-Woo Lee wpadł na nietypowy pomysł i postanowił stworzyć szkielet z DNA, który następnie został pokryty szkłem, tworząc materiał o bardzo niskiej gęstości (lekki i wytrzymały). Chociaż DNA jest znane głównie ze swoich właściwości związanych z przechowywaniem gęsto upakowanych danych, może być również wszechstronne jako materiał konstrukcyjny w nanoskali. Może się rozciągać lub zgniatać, a nawet samodzielnie układać w różne kształty. Z kolei szkło kojarzy nam się z kruchością i podatnością na pęknięcia, ale nieskazitelny cm3 szkła może wytrzymać nacisk 10 ton. Kluczowe jest jednak wytworzenie szkła pozbawionego wad (pęknięć czy rys) – udaje się to w nanoskali.
Naukowcy zaczęli od DNA, które zostało zaprogramowane do samodzielnego składania się w kształty przypominające siatkę. Fragmenty te zostały następnie pokryte szklistym materiałem (o grubości zaledwie kilkuset atomów), tworząc warstwy o grubości zaledwie kilkuset atomów. Efektem końcowym są cienkie nici powlekanego szkłem DNA, które mają 4 razy wyższą wytrzymałość, ale 5 razy niższą gęstość niż stal. To niezwykłe połączenie lekkości i wysokiej wytrzymałości nigdy wcześniej nie zostało osiągnięte.
Zanim możliwe będzie wykorzystanie tego materiału w praktyce, potrzeba jeszcze sporo pracy. Uczeni pracują obecnie z tą samą strukturą DNA, ale zastępując szkło jeszcze mocniejszą ceramiką węglikową. Planują eksperymentować z różnymi strukturami DNA, aby sprawdzić, które z nich sprawiają, że materiał jest najwytrzymalszy. Przyszłe materiały oparte na tej samej koncepcji są bardzo obiecujące jako energooszczędne materiały do pojazdów i innych urządzeń.