Учёные создали лёд в 10 раз прочнее обычного и приблизили его по прочности к бетону
Учёные создали армированный лёд BioPykrete, который в лабораторных испытаниях оказался примерно в 10 раз прочнее обычного льда при сжатии и смог поглотить примерно в 70 раз больше энергии до разрушения. По прочности при сжатии новый материал приблизился к обычному бетону, но в отличие от чистого льда не раскалывался резко после появления трещины, а постепенно деформировался.
Материал разработала группа исследователей во главе с Идо Браславски из Еврейского университета в Иерусалиме. BioPykrete состоит главным образом из льда, армированного нанокристаллами целлюлозы — очень маленькими и жёсткими частицами природного полимера, из которого построены клеточные стенки растений. Третий компонент представляет собой специально созданный химерный белок, который одновременно связывается со льдом и целлюлозой.
Идея укреплять лёд растительными волокнами известна давно. В классическом пикрите лёд смешивают с древесной массой, которая препятствует быстрому распространению трещин. В новой работе исследователи перенесли этот принцип на нанометровый и молекулярный уровень, используя целлюлозные нанокристаллы и специально сконструированный белковый «мост» между ними и кристаллами льда.
Белок получили объединением двух функциональных частей. AFPIII относится к белкам, способным связываться с поверхностью кристаллов льда, а модуль CBM3a обладает высоким сродством к кристаллической целлюлозе. Получившаяся молекула CBM3a-AFPIII одновременно прикрепляется к двум материалам и работает как молекулярный клей между ледяной матрицей и армирующей целлюлозной сетью.
При контролируемом замораживании нанокристаллы целлюлозы вытесняются растущими кристаллами льда и самоорганизуются в трёхмерную сеть. Она разделяет лёд на множество микроскопических областей. Если внутри одной из них возникает трещина, целлюлозная структура мешает ей свободно пройти через весь образец. Для дальнейшего разрушения требуется дополнительно деформировать или разорвать армирующую сеть.
Именно изменение механизма разрушения стало одним из главных результатов работы. Чистый лёд ведёт себя как хрупкий материал: после возникновения достаточно крупной трещины она быстро распространяется, и образец может внезапно разрушиться. BioPykrete вместо этого демонстрировал постепенное разрушение с заметно большей деформацией перед потерей несущей способности.
Испытания проводили при одноосном сжатии образцов. В конечном варианте BioPykrete эффективная прочность оказалась приблизительно в 10 раз выше, чем у контрольного чистого льда. Исследователи также рассчитали энергию, которую материал способен поглотить до разрушения. По этому показателю разница оказалась ещё больше — примерно в 70 раз.
Большой вклад внёс именно химерный белок. Сравнение с образцом из такого же льда и целлюлозных нанокристаллов, но без молекулярного связующего показало, что добавление CBM3a-AFPIII примерно удвоило как прочность, так и количество энергии, которое материал мог поглотить перед разрушением. Таким образом, эффект создавался не только присутствием целлюлозы, но и её более прочной связью с ледяной матрицей.
В экспериментальной смеси использовали около 2% целлюлозных нанокристаллов и химерный белок в концентрации 50 микромолей на литр. Авторы также показали, что такой белок можно получать с помощью бактериальной ферментации в количествах, достаточных для изготовления лабораторных партий материала. В одном из описанных процессов выход очищенного белка достигал около 0,8 грамма с литра питательной среды.
По прочности при сжатии полученный материал приблизился к диапазону, характерному для обычного бетона. Это сравнение не означает, что BioPykrete уже является полноценной заменой бетону: строительные материалы оцениваются также по долговечности, поведению при растяжении и изгибе, ползучести, устойчивости к циклам нагрева и охлаждения и множеству других характеристик. Авторы называют BioPykrete доказательством работоспособности концепции.
Потенциальная область применения связана прежде всего с Арктикой и другими постоянно холодными регионами. Там вода для изготовления основной массы конструкции может находиться непосредственно на месте, тогда как доставка большого количества бетона или стали обходится дорого. Целлюлоза является возобновляемым материалом, поэтому исследователи рассматривают такой композит как потенциально биоразлагаемый вариант с меньшими углеродными затратами для некоторых временных или специализированных сооружений.
До практического строительства материалу предстоит пройти значительно более продолжительные испытания. Исследователи собираются проверить его долговечность, устойчивость к повторяющимся циклам замерзания и оттаивания и ползучесть — постепенную деформацию под постоянно действующей нагрузкой. Также потребуется оценить полный жизненный цикл и выяснить, сохраняются ли лабораторные преимущества при изготовлении гораздо более крупных конструкций.
Работа показывает и более общий подход к созданию композитов. Вместо простого смешивания двух материалов исследователи создали белок с двумя различными связывающими участками и использовали его для управления контактом компонентов непосредственно на молекулярном уровне. Аналогичные белковые конструкции в будущем можно адаптировать для соединения других материалов и изменения их механических свойств.
Исследование в журнале Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.