Исследователи разработали легкий, но прочный материал, соединив два неожиданных ингредиента — ДНК и стекло.
Работа в наномасштабе дает ученым глубокое понимание и точность в создании и анализе материалов. В более масштабном производстве и даже в естественных условиях многие материалы подвержены дефектам и загрязнениям, которые могут поставить под угрозу их сложную архитектуру. Такие уязвимости могут привести к их разрушению под давлением. Это особенно заметно в большинстве типов стекла, что привело к его репутации хрупкого материала.
Ученые из Колумбийского университета, Университета Коннектикута и Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) смогли изготовить чистую форму стекла и покрыть ею специализированные фрагменты ДНК, чтобы создать материал, который был не только прочнее, чем стальной, но невероятно легкий. Материалы, обладающие обоими этими качествами, встречаются редко, и дальнейшие исследования могут привести к новым инженерным и оборонным применениям.
ДНК — строительные блоки для жизни и не только
В живых существах дезоксирибонуклеиновая кислота, более известная как ДНК, несет биологическую информацию, которая инструктирует клетки организмов о том, как формироваться, расти и размножаться. Материал, из которого состоит ДНК, известен как полимер — класс прочных и эластичных материалов, в который входят пластик и резина. Их устойчивость и простота заинтриговали ученых-материалистов и вдохновили на множество интересных экспериментов. Олег Ганг, ученый-материаловед из Центра функциональных наноматериалов (CFN), пользовательского центра Министерства энергетики США в Брукхейвенской лаборатории и профессор Колумбийского университета, в течение многих лет использовал уникальные свойства ДНК для синтеза материалов, что привело к многочисленным открытиям. . Эта новая технология вдохновила на создание множества инновационных приложений — от доставки лекарств до электроники.
Ранее Ганг работал с ведущим автором статьи, постдокторантом из Брукхейвена Аароном Майкельсоном над экспериментом по использованию структур ДНК для создания надежной основы для новых материалов. Молекулы ДНК ведут себя интересным образом. Отдельные нуклеотиды, основные единицы нуклеиновых кислот, таких как ДНК и РНК, определяют связь между комплементарными последовательностями. Точный способ их связи друг с другом позволяет ученым разрабатывать методы сворачивания ДНК в определенные формы, называемые «оригами», названные в честь японского искусства складывания бумаги. Эти формы ДНК представляют собой наноразмерные строительные блоки, которые можно запрограммировать с помощью адресных связей ДНК для «самосборки». Это означает, что из этих блоков ДНК-оригами могут спонтанно образовываться четко определенные структуры с повторяющимся узором.
Эти блоки затем соединяются вместе, образуя более крупную решетку — структуру с повторяющимся узором. Этот процесс позволяет ученым создавать трехмерные наноматериалы из ДНК и интегрировать неорганические наночастицы и белки, как показали предыдущие исследования группы. Получив понимание и контроль над этим уникальным процессом сборки, Ганг, Майкельсон и их команда смогли изучить, чего можно достичь, если использовать биомолекулярные каркасы для создания каркасов из кремнезема, сохраняющих архитектуру каркаса.
«Мы сосредоточились на использовании ДНК в качестве программируемого наноматериала для формирования сложного трехмерного каркаса», — сказал Майкельсон, — «и мы хотели изучить, как этот каркас будет работать механически при переносе в более стабильные твердотельные материалы. Мы исследовали возможности этого самоорганизующегося материала, отлитого из кремнезема, основного ингредиента стекла».
Работа Майкельсона в этой области принесла ему Мемориальную премию Роберта Саймона Колумбийского университета. Его исследования каркасов ДНК охватили целый ряд характеристик и применений — от механических свойств до сверхпроводимости. Как и структуры, на которых он построил, работа Майкельсона продолжает расти и строиться, получая новые слои информации из этих захватывающих экспериментов.
Следующая часть производственного процесса была вдохновлена биоминерализацией — способом, которым определенные живые ткани производят минералы, которые становятся более твердыми, как кости.
«Нам было очень интересно изучить, как мы можем улучшить механические свойства обычных материалов, таких как стекло, структурируя их на наноуровне», — сказал Ганг.
Ученые использовали очень тонкий слой кварцевого стекла толщиной всего около 5 нм или несколько сотен атомов, чтобы покрыть рамки ДНК, оставляя внутренние пространства открытыми и гарантируя, что полученный материал будет сверхлегким. В этом небольшом масштабе стекло нечувствительно к дефектам и дефектам, обеспечивая прочность, не свойственную более крупным кускам стекла, где образуются трещины, вызывающие его разрушение. Однако команда хотела точно знать, насколько прочен этот материал, а для этого в таком масштабе требовалось очень специализированное оборудование.
Сила под давлением
Есть простые способы проверить, прочно ли что-то. Тыкание, толкание и опирание на поверхности, а также наблюдение за их поведением часто могут дать полезную информацию. Гнутся ли они, скрипят, прогибаются или устойчиво выдерживают нагрузку? Это простой, но эффективный способ получить представление о силе объекта даже без инструментов для ее точного измерения. Но как нажать на объект, который слишком мал, чтобы его можно было увидеть?
«Чтобы измерить прочность этих крошечных структур, мы применили метод, называемый наноиндентированием», — объяснил Майкельсон. «Наноиндентирование — это механическое испытание в очень небольшом масштабе, выполняемое с использованием точного инструмента, который может применять и измерять силы сопротивления. Наши образцы имеют толщину всего несколько микрон, около тысячной доли миллиметра, поэтому измерить эти материалы обычными способами невозможно. Используя электронный микроскоп и наноиндентирование, мы можем одновременно измерять механическое поведение и наблюдать процесс сжатия».
Когда крошечное устройство сжимает или вдавливает образец, исследователи могут проводить измерения и наблюдать механические свойства. Затем они смогут увидеть, что происходит с материалом, когда сжатие прекращается и образец возвращается в исходное состояние. Если образуются какие-либо трещины или в какой-либо точке конструкция выходит из строя, эти ценные данные можно записать.
В ходе испытаний выяснилось, что решетка ДНК, покрытая стеклом, в четыре раза прочнее стали! Что было еще интереснее, так это то, что его плотность была примерно в пять раз ниже. Хотя существуют материалы, которые прочны и считаются довольно легкими, до такой степени они никогда не достигались.
Однако эта техника не всегда была доступна в CFN.
«Мы сотрудничали с Сок-Ву Ли, доцентом Университета Коннектикута, который имеет опыт в области механических свойств материалов», — сказал Ганг. «Он был пользователем CFN и использовал некоторые из наших возможностей и ресурсов, например, электронные микроскопы, и именно так мы установили с ним отношения. Изначально у нас не было возможностей для наноиндентирования, но он привел нас к подходящим инструментам и направил на правильный путь. Это еще один пример того, как ученые из академических кругов и национальных лабораторий получают выгоду от совместной работы. Теперь у нас есть эти инструменты и опыт, чтобы продолжить подобные исследования».
Создание чего-то нового и захватывающего
Несмотря на то, что предстоит проделать еще много работы, прежде чем расширять масштабы и думать о множестве применений такого материала, у материаловедов все еще есть причины для волнения по поводу того, что это означает в будущем. Команда планирует изучить другие материалы, такие как карбидная керамика, которые даже прочнее стекла, чтобы увидеть, как они работают и ведут себя. В будущем это может привести к созданию еще более прочных и легких материалов.
Хотя его карьера все еще находится на ранней стадии, Майкельсон уже многого добился и уже готов приступить к следующим этапам своих исследований.
«Это прекрасная возможность стать постдоком в Брукхейвенской лаборатории, особенно после того, как я был студентом Колумбийского университета и довольно часто работал в CFN», — вспоминает Майкельсон. «Именно это побудило меня продолжить работу там в качестве постдока. Возможности, которыми мы обладаем в CFN, особенно в отношении визуализации, действительно помогли продвинуть мою работу».
No comments:
Post a Comment