Новый «суперлёд» в 10 раз прочнее, что приближает его к прочности бетона

Фото из открытых источников

Во время Второй мировой войны британский Королевский флот экспериментировал с идеей использования льда, армированного древесной целлюлозой, для строительства авианосца. Композитный материал, известный как пикрет, по-видимому, был таким же прочным, как бетон, если его можно было хранить в замороженном состоянии.

Этот корабль по сути представлял бы собой плавучий, специально изготовленный, усиленный айсберг, с которого могли бы взлетать и садиться самолеты, — но из-за роста цен и появления более совершенных вариантов проект в итоге был заброшен.

Теперь исследователи во главе с командой из Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль) развили эту идею 1940-х годов и создали то, что они назвали биопикретом.

Добавив в лед кристаллы растительного происхождения и специально разработанный белок, они создали вещество, которое в 10 раз прочнее обычного льда и способно поглотить в 70 раз больше энергии, прежде чем разбиться.

Исследование нового материала опубликовано в журнале Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, и команда, разработавшая его, надеется, что в будущем он может быть использован в качестве строительного материала.

«Мы хотели выйти за рамки простого смешивания волокон со льдом и вместо этого контролировать, как различные материалы соединяются на молекулярном уровне», — говорит биохимик Идо Браславский из Еврейского университета в Иерусалиме. «В результате меняется не только прочность льда, но и способ его разрушения. Вместо внезапного раскалывания он может поглотить гораздо больше энергии и постепенно деформироваться».

В этот раз предполагается использовать его не для авианосцев, а для строительных проектов в отдаленных, холодных районах, где традиционные методы строительства трудно применять, — например, в Арктике и Антарктике.

Поскольку для его изготовления не требуется бетон или сталь, а в качестве основных компонентов используются лед и растительная целлюлоза, это может стать строительным материалом с низким углеродным следом, который к тому же является биоразлагаемым.

«Хотя строительная отрасль является краеугольным камнем мировой экономики, она остается одним из наиболее значительных загрязнителей окружающей среды, ответственным за существенные выбросы углекислого газа и масштабное истощение ресурсов», — пишут исследователи. «Биотехнология предлагает революционный путь для смягчения этого воздействия путем разработки новых, устойчивых биоматериалов».

Однако до того, как BioPykrete можно будет использовать в качестве строительного материала, пройдет еще некоторое время. Это исследование носило небольшой характер экспериментальной проверки концепции, и потребуются дальнейшие исследования, чтобы изучить, как BioPykrete ведет себя в течение длительного времени и в изменяющихся условиях.

Вместо более крупных, неупорядоченных волокон древесной целлюлозы исследователи использовали здесь нанокристаллы целлюлозы.

Целлюлоза является основным структурным материалом растений, а в нанокристаллической форме она может выступать в качестве микроскопического упрочняющего агента для других материалов, включая лед, — по сути, предотвращая быстрое распространение трещин.

В данном случае использовался белок под названием CBM3a-AFPIII, представляющий собой комбинацию антифризного белка (AFP) и модуля связывания углеводов (CBM). Его задача заключалась в том, чтобы действовать как клей, удерживая нанокристаллы целлюлозы и лед вместе.

Это остроумный подход, и исследователи считают, что, изменив ингредиенты и методы, они смогут еще больше улучшить свой «супер-лед».

«Оптимизация кинетики затвердевания и протоколов замораживания, а также разработка разнообразных вариантов AFP-CBM могут позволить получить композиты с еще большей прочностью», — пишут исследователи.

Помимо дальнейших испытаний на прочность материала, исследователи также стремятся более детально изучить распространение трещин в BioPykrete, чтобы подтвердить, что лежащие в основе механизмы упрочнения являются именно теми, которые они предполагают.

В дальнейшем такой подход может открыть совершенно новые возможности для материалов, используемых в упаковке, строительстве и многом другом: использование специально разработанного белка для соединения двух маловероятных соединений (льда и целлюлозы).

«Благодаря преодолению разрыва между конструированием рекомбинантных белков и структурной инженерией, мы разработали высокоэффективный материал, специально предназначенный для суровых условий самых экстремальных сред в мире», — пишут исследователи.