Учените разработват лек материал, който е четири пъти по-здрав от стоманата

Изследователите са разработили лек, но здрав материал чрез комбиниране на две неочаквани съставки: ДНК и стъкло.

Работя в Нано мащаб Той осигурява на учените дълбоко разбиране и прецизност при формулирането и анализирането на материали. При широкомащабно производство и дори в естествена среда много материали са податливи на дефекти и замърсители, които могат да повлияят на тяхната сложна структура. Тези слабости могат да го накарат да се счупи под натиск. Това е особено очевидно при повечето видове стъкло, което води до репутацията му на чуплив материал.

Учени от Колумбийския университет, Университета на Кънектикът и Националната лаборатория Брукхейвън на Министерството на енергетиката на САЩ успяха да създадат чиста форма на стъкло и да покрият специализирани парчета стъкло. ДНК Използвайки го за създаване на материал, който е не само по-здрав от стоманата, но е и невероятно лек. Материали с тези две качества са необичайни и по-нататъшните изследвания могат да доведат до нови инженерни и отбранителни приложения. Резултатите са публикувани в списанието МLL РДоклади по физика.

ДНК — градивните елементи на живота и още

В живите организми дезоксирибонуклеинова киселина киселоНуклеиновата киселина, по-известна като ДНК, носи биологична информация, която инструктира клетките на живите организми как да се образуват, растат и възпроизвеждат. Материалът, който изгражда ДНК, е известен като полимер, клас твърди, гъвкави материали, който включва пластмаса и гума. Тяхната гъвкавост и простота заинтригуваха учените по материали и вдъхновиха много интересни експерименти. Олег Ганг, учен по материали в Центъра за функционални наноматериали (CFN), потребителско съоръжение за наука на DOE в лабораторията Brookhaven и професор в Колумбийския университетУникалните свойства на ДНК са били използвани за производство на материали от години, което е довело до много открития. Тази нова технология е вдъхновила набор от иновативни приложения, от доставка на лекарства до електроника.

Олег Ганг, на снимката отзад, и Арън Микелсън използват експертните ресурси на CFN, за да измерят удивителната сила на тази нова физическа структура. Кредит: Националната лаборатория Брукхейвън

Джанг преди това е работил с водещия автор на статията, постдокторантския изследовател на Брукхейвън Аарон Майкелсън, върху експеримент, който използва ДНК структури за изграждане на стабилна рамка за нови материали. ДНК молекулите се държат по интересен начин. Индивидуалните нуклеотиди, основните единици на нуклеиновите киселини като ДНК и… РНК, диктува взаимовръзката между комплементарни последователности. Точният начин, по който те са свързани помежду си, позволява на учените да разработят начини за инженерно сгъване на ДНК в специфични форми, наричани „оригами“, кръстени на японското изкуство за сгъване на хартия. Тези ДНК мотиви са наномащабни градивни елементи, които могат да бъдат програмирани с помощта на насочващи се ДНК връзки към „Самостоятелно сглобяванеТова означава, че добре дефинирани структури с повтарящ се модел могат да се образуват спонтанно от тези хартиени ДНК блокове.

След това тези блокове се слепват, за да образуват по-голяма мрежа, структура с повтарящ се модел. Този процес позволява на учените да конструират подредени 3D наноматериали от ДНК и да включват неорганични наночастици и протеини, показват предишни проучвания на групата. След като разбраха и контролираха този уникален процес на сглобяване, Джан, Майкелсън и техният екип успяха да проучат какво може да се постигне, когато се използват тези биомолекулярни скелета за създаване на силициеви структури, които поддържат структурата на скелето.

„Ние бяхме фокусирани върху използването на ДНК като програмируем наноматериал за образуване на сложно 3D скеле и искахме да проучим как това скеле ще работи механично, когато се прехвърли върху по-стабилни твърди вещества, каза Майкелсън. „Проучихме възможността да имаме това само- сглобен материал, отлят в силициев диоксид, основният компонент на стъклото и неговия потенциал.

Работата на Майкелсън в тази област му донесе мемориалната награда на Робърт Саймън в Колумбийския университет. Неговото изследване на ДНК рамки изследва набор от свойства и приложения, от механични свойства до свръхпроводимост. Подобно на много от структурите, върху които е изграден, работата на Майкелсън продължава да расте и да се надгражда, докато той приема нови слоеве информация от тези вълнуващи експерименти.

Микроскопичен поглед върху това как тези ДНК вериги образуват компактни форми в рамките на по-големи мрежови структури, покрити със силициев диоксид. CFN, JEOL-1400 TEM и Hitachi-4800 SEM. Кредит: Националната лаборатория Брукхейвън

Следващата част от производствения процес е вдъхновена от биоминерализацията, което е начинът, по който живата тъкан произвежда минерали, за да станат по-твърди, като костите.

„Бяхме много заинтересовани да проучим как можем да подобрим механичните свойства на обикновени материали, като стъкло, но да ги структурираме в наноразмер“, каза Ганг.

Учените са използвали изключително тънък слой силициево стъкло с дебелина само около 5 нанометра или няколкостотин атома, за да покрият ДНК рамките, оставяйки вътрешните пространства отворени и гарантирайки, че полученият материал е изключително лек. В този малък мащаб стъклото е нечувствително към несъвършенства или несъвършенства, осигурявайки здравина, която не може да се види в по-големи парчета стъкло, където се образуват пукнатини и ги карат да се счупят. Екипът искаше да знае колко точно е силен този материал, който в този мащаб изисква много специализирано оборудване.

Сила при натиск

Има прости начини да проверите дали нещо е силно. Мушкането, бутането, облягането на повърхности и наблюдението на поведението им често предоставят полезна информация. Навежда ли се, крещи, прикляква или стои неподвижно под напрежение? Това е прост, но ефективен начин да разберете силата на тялото, дори без инструменти за точно измерване. Как може човек да стисне толкова малък предмет, че да не се вижда?

„За да измерим силата на тези малки структури, ние използвахме техника, наречена нанотехнология“, обясни Микелсън. „Наноиндентацията е много малък механичен тест, извършен с помощта на прецизен инструмент, който може да прилага и измерва съпротивителните сили. Нашите проби са с дебелина само няколко микрона, около хилядна от милиметъра, така че е невъзможно тези материали да бъдат измерени с конвенционални средства , Използвайки електронен микроскоп и нанопора заедно, можем да измерваме механичното поведение и да наблюдаваме процеса на компресия едновременно.

Графика, сравняваща наномрежата в този експеримент с относителната якост на различни материали. Кредит: Националната лаборатория Брукхейвън

Когато малкото устройство компресира или измести пробата, изследователите могат да направят измервания и да наблюдават механичните свойства. След това те могат да видят какво се случва с материала, когато налягането се освободи и пробата се върне в първоначалното си състояние. Ако има образуване на пукнатини или ако структурата се повреди в някоя точка, тези ценни данни могат да бъдат записани.

При тестване се оказа, че ДНК мрежата, покрита със стъкло, е четири пъти по-здрава от стомана! Още по-интересното е, че плътността му е около пет пъти по-ниска. Въпреки че има материали, които са здрави и сравнително леки, това никога не е било постигано досега.

Тази технология обаче не винаги е била лесно достъпна в CFN.

„Ние си сътрудничихме със Seok-woo Lee, доцент в университета в Кънектикът, който има опит в механичните свойства на материалите“, каза Jang. „Той беше потребител на CFN, който се възползва от някои от нашите възможности и ресурси, като например електронни микроскопи, и по този начин развихме връзка с него. Първоначално нямахме способността да използваме нанотехнологиите, но той ни доведе до правилните инструменти и ни поставят на правилния път. Това е още един пример „За това как учените от академичните среди и националните лаборатории могат да се възползват от съвместната работа. Вече разполагаме с инструментите и експертния опит, за да изведем подобни проучвания дори по-далеч.“

Изградете нещо ново и вълнуващо

Въпреки че има още много работа за вършене, преди да увеличим мащаба и да разгледаме безбройните приложения за такива материали, все още има причини учените по материали да се вълнуват какво означава това да се движим напред. Екипът планира да разгледа други материали, като карбидна керамика, които са по-здрави от стъклото, за да види как работят и се държат. Това може да доведе до по-здрави и леки материали в бъдеще.

Въпреки че кариерата му все още е в ранните си етапи, Майкелсън вече е постигнал много и вече има желание да започне следващите етапи от своето изследване.

„Това е невероятна възможност да бъдеш следдокторантски изследовател в лабораторията Брукхейвън, особено след като си бил студент в Колумбия и си работил толкова много в CFN“, спомня си Майкелсън. „Това ме мотивира да остана там като постдокторантски изследовател. Възможностите, които имаме в CFN, особено по отношение на фотографията, наистина помогнаха да стимулирам работата ми.“

Справка: „Високоякостен, лек наносилициев диоксид“ от Арън Майкелсън, Тайлър Дж. Фланаган, Сеок-у Лий и Олег Джанг, 27 юни 2023 г., Клетъчни отчети Физическа наука.
doi: 10.1016/j.xcrp.2023.101475