Forskere bygger en DNA-struktur og overtrækker den med glas, hvilket skaber et meget stærkt materiale med meget lav tæthed

Materialer, der er både stærke og lette, kunne forbedre alt fra biler til panser. Men normalt udelukker de to kvaliteter hinanden. Nu har forskere og kolleger fra University of Connecticut udviklet et ekstraordinært stærkt, let materiale ved hjælp af to usandsynlige byggesten:DNA og glas.

"For den givne tæthed er vores materiale det stærkeste kendte," siger Seok-Woo Lee, en materialeforsker ved UConn. Lee og kolleger fra UConn, Columbia University og Brookhaven National Lab rapporterede detaljerne den 19. juli i Cell Reports Physical Science .

Styrke er relativ. Jern kan for eksempel tage syv tons tryk per kvadratcentimeter. Men den er også meget tæt og tung og vejer 7,8 gram/kubikcentimeter. Andre metaller, såsom titanium, er stærkere og lettere end jern. Og visse legeringer, der kombinerer flere elementer, er endnu stærkere. Stærke, lette materialer har givet mulighed for letvægts kropsrustning, bedre medicinsk udstyr og gjort sikrere, hurtigere biler og fly.

Den nemmeste måde at udvide rækkevidden på et elektrisk køretøj, er for eksempel ikke at forstørre batteriet, men snarere gøre selve køretøjet lettere uden at ofre sikkerhed og levetid. Men traditionelle metallurgiske teknikker har nået en grænse i de senere år, og materialeforskere har været nødt til at blive endnu mere kreative for at udvikle nye letvægtsmaterialer med høj styrke.

Nu rapporterer Lee og kolleger, at ved at bygge en struktur ud af DNA og derefter belægge den med glas, har de skabt et meget stærkt materiale med meget lav densitet. Glas kan virke som et overraskende valg, da det let går i stykker. Men glas splintres normalt på grund af en fejl - såsom en revne, ridse eller manglende atomer - i dets struktur. En fejlfri kubikcentimeter glas kan modstå 10 tons tryk, mere end tre gange det tryk, der imploderede Oceangate Titan-dykkebåden nær Titanic i sidste måned.

Det er meget svært at skabe et stort stykke glas uden fejl. Men forskerne vidste, hvordan man laver meget små fejlfrie stykker. Så længe glas er mindre end en mikrometer tykt, er det næsten altid fejlfrit. Og da tætheden af ​​glas er meget lavere end metaller og keramik, bør alle strukturer lavet af fejlfrit glas i nanostørrelse være stærke og lette.

Holdet skabte en struktur af selvsamlende DNA. Næsten ligesom Magnatiles, stykker af DNA af specifikke længder og kemi snappede sig sammen til et skelet af materialet. Forestil dig rammen af ​​et hus eller en bygning, men lavet af DNA.

Oleg Gang og Aaron Mickelson, nanomateriale-forskere ved Columbia University og Brookhaven's Center for Functional Nanomaterials, coatede derefter DNA'et med et meget tyndt lag glaslignende materiale, der kun var et par hundrede atomer tykt. Glasset dækkede kun lige DNA-strengene og efterlod en stor del af materialets volumen som tomt rum, ligesom rummene i et hus eller en bygning.

DNA-skelettet forstærkede den tynde, fejlfri belægning af glas, hvilket gjorde materialet meget stærkt, og hulrummene, der udgør det meste af materialets volumen, gjorde det let. Som et resultat har glasnanogitterstrukturer fire gange højere styrke, men fem gange lavere densitet end stål. Denne usædvanlige kombination af letvægt og høj styrke er aldrig blevet opnået før.

"Evnen til at skabe designede 3D-framework nanomaterialer ved hjælp af DNA og mineralisere dem åbner enorme muligheder for tekniske mekaniske egenskaber. Men der er stadig brug for meget forskningsarbejde, før vi kan bruge det som en teknologi," siger Gang.

Holdet arbejder i øjeblikket med den samme DNA-struktur, men erstatter glas med endnu stærkere karbidkeramik. De har planer om at eksperimentere med forskellige DNA-strukturer for at se, hvad der gør materialet stærkest.

Fremtidige materialer baseret på samme koncept lover meget som energibesparende materialer til køretøjer og andre enheder, der prioriterer styrke. Lee mener, at DNA origami nanoarkitektur vil åbne en ny vej til at skabe lettere og stærkere materialer, som vi aldrig har forestillet os før.

"Jeg er stor fan af Iron Man-film, og jeg har altid undret mig over, hvordan man kan skabe en bedre rustning til Iron Man. Det skal være meget let for ham at flyve hurtigere. Det skal være meget stærkt for at beskytte ham mod fjenders angreb. Vores nye materiale er fem gange lettere, men fire gange stærkere end stål, så vores glasnanogitter ville være meget bedre end noget andet strukturelt materiale til at skabe en forbedret rustning til Iron Man."

Flere oplysninger: Aaron Michelson et al, Højstyrke, letvægts nano-arkitekteret silica, Cell Reports Physical Science (2023). DOI:10.1016/j.xcrp.2023.101475

Journaloplysninger: Cell Rapporter Fysisk Videnskab

Leveret af University of Connecticut